RU2533709C2 - Monocrystalline fluorescent material for white light-emitting diodes - Google Patents

Monocrystalline fluorescent material for white light-emitting diodes Download PDF

Info

Publication number
RU2533709C2
RU2533709C2 RU2012142325/04A RU2012142325A RU2533709C2 RU 2533709 C2 RU2533709 C2 RU 2533709C2 RU 2012142325/04 A RU2012142325/04 A RU 2012142325/04A RU 2012142325 A RU2012142325 A RU 2012142325A RU 2533709 C2 RU2533709 C2 RU 2533709C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
emitting diodes
white light
fluorescent material
cerium
solid solution
Prior art date
Application number
RU2012142325/04A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012142325A (en
Inventor
Михаил Александрович Архипов
Мухамед Магамедович Арсанукаев
Сергей Степанович Ковалёв
София Александровна Смирнова
Владимир Фёдорович Шицле
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Минерал"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Минерал" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Минерал"
Priority to RU2012142325/04A priority Critical patent/RU2533709C2/en
Publication of RU2012142325A publication Critical patent/RU2012142325A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2533709C2 publication Critical patent/RU2533709C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Landscapes

  • Luminescent Compositions (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

FIELD: physics, optics.
SUBSTANCE: invention relates to fluorescent materials and specifically to a monocrystalline fluorescent material for white light-emitting diodes. The material is a solid solution of aluminium oxide and yttrium aluminium garnet with cerium and has a composition corresponding to the formula Y3-xCexAl5+yO12+1.5y, where x=0.02-0.05, y=0.17-3.97.
EFFECT: high photoluminescence intensity of the fluorescent material coupled with high operational stability in varying climatic conditions.
2 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к области люминофорных материалов, которые обладают способностью люминесцировать при воздействии на них излучения ртутно-кварцевой лампы (или другими источниками излучения) и могут быть использованы в светодиодах белого света.The invention relates to the field of phosphors, which have the ability to luminesce when exposed to radiation from a mercury-quartz lamp (or other radiation sources) and can be used in white light emitting diodes.

Широко известны люминофоры для светодиодов белого света, материалом которых является иттрий-алюминиевый гранат с церием (YAG:Ce). Это эпитаксиальные пленки и порошки, реже - прозрачные керамики («Фотолюминофоры на основе YAG, активированные Се+3, в светодиодах белого света» Меркушев О.М., Ведерникова Л.Г. Санкт-Петербургский государственный технологический институт). Эти материалы, помимо сложности и дороговизны их получения, работают в достаточно узких интервалах температур и климатических условиях и имеют ограничения на срок службы - световой поток может упасть вдвое спустя нескольких тысяч часов работы.The phosphors for white light-emitting diodes are widely known, the material of which is yttrium-aluminum garnet with cerium (YAG: Ce). These are epitaxial films and powders, less often - transparent ceramics ("Photoluminophors based on YAG, activated by Се +3 , in white light-emitting diodes" Merkushev OM, Vedernikova LG St. Petersburg State Technological Institute). These materials, in addition to the complexity and high cost of obtaining them, work in fairly narrow temperature ranges and climatic conditions and have limitations on the service life - the luminous flux may fall by half after several thousand hours of operation.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются люминофоры на основе флуоресцирующего материала - иттрий- алюминиевого граната, активируемого церием (YAG:Ce) с различным составом, включая иттрий и алюминий и сохраняя при этом стехиометрию иттрий-алюминиевого граната (Патент США №5998925, МПК: H01J 1/62, H01J 63/04, 1997 г.). Однако известный люминофорный материал обладает недостаточной интенсивностью фотолюминесценции с ограничением работы в определенных климатических условиях, что значительно сужает область применения светодиодов белого света.Closest to the proposed invention are phosphors based on a fluorescent material - yttrium-aluminum garnet activated by cerium (YAG: Ce) with various compositions, including yttrium and aluminum, while maintaining the stoichiometry of yttrium-aluminum garnet (US Patent No. 5998925, IPC: H01J 1/62, H01J 63/04, 1997). However, the known phosphor material has insufficient photoluminescence intensity with limited operation in certain climatic conditions, which significantly narrows the scope of white light emitting diodes.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение интенсивности фотолюминесценции люминофорного материала в сочетании с высокой стабильностью эксплуатации его в меняющихся климатических условиях.The technical task of the invention is to increase the intensity of the photoluminescence of the phosphor material in combination with its high stability in varying climatic conditions.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что монокристаллический люминофорный материал для светодиодов белого света, включающий иттрий - алюминиевый гранат, активированный церием, представляет собой твердый раствор оксида алюминия и иттрий -алюминиевого граната с церием и имеет состав, соответствующий формулеThe stated technical problem is solved due to the fact that the single-crystal phosphor material for white light-emitting diodes, including yttrium - cerium activated aluminum garnet, is a solid solution of aluminum oxide and yttrium-aluminum garnet with cerium and has a composition corresponding to the formula

Y3-xCexAl5+yO12+1,5y,Y 3-x Ce x Al 5 + y O 12 + 1,5y ,

где x=0,02-0,05,where x = 0.02-0.05,

y=0,17-3,97.y = 0.17-3.97.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что люминофорный материал представляет собой твердый раствор оксида алюминия и иттрий-алюминиевого граната с церием и имеет состав, соответствующий формулеDistinctive features of the present invention is that the phosphor material is a solid solution of aluminum oxide and yttrium-aluminum garnet with cerium and has a composition corresponding to the formula

Y3-xCexAl5+yO12+1,5y Y 3-x Ce x Al 5 + y O 12 + 1,5y

где x=0,02-0,05,where x = 0.02-0.05,

y=0,17-3,97.y = 0.17-3.97.

Следует отметить, что основной вклад в увеличение интенсивности фотолюминесценции вносит увеличение содержания в составе твердого раствора оксида алюминия, и даже при одном и том же количестве церия интенсивность фотолюминесценции существенно возрастает.It should be noted that the main contribution to the increase in the intensity of photoluminescence is made by an increase in the content of aluminum oxide in the composition of the solid solution, and even with the same amount of cerium, the intensity of photoluminescence increases significantly.

Указанные свойства люминофорного материала связаны с тем, что высокая концентрация оксида алюминия по сравнению с иттрий- алюминиевым гранатом, активированным церием способствует образованию в расплаве церийсодержащих нанокластеров алюминия, что приводит к увеличению коэффициента концентрации церия и равномерности его распределения в кристаллической матрице твердого раствора.The indicated properties of the phosphor material are related to the fact that a high concentration of aluminum oxide compared with yttrium-aluminum garnet activated by cerium promotes the formation of cerium-containing aluminum nanoclusters in the melt, which leads to an increase in the cerium concentration coefficient and the uniformity of its distribution in the crystalline matrix of the solid solution.

Оптимальный состав твердого раствора определен эмпирически, при y=0 фотолюминесценция не превышает 45000 отн. ед., при y>3.99 люминесценция практически не наблюдается, так как твердый раствор по составу приближается к эвтектике. Максимальная интенсивность фотолюминесценции наблюдается при у=2,9, и этот состав твердого раствора следует считать оптимальным.The optimal composition of the solid solution was determined empirically; at y = 0, the photoluminescence does not exceed 45,000 rel. units, at y> 3.99, luminescence is practically not observed, since the solid solution is close to eutectic in composition. The maximum photoluminescence intensity is observed at y = 2.9, and this composition of the solid solution should be considered optimal.

Пример 1. Для получения твердого раствора состава Y2,95Ce0.05Al5O12 (y=0) приготовлена смесь из порошкообразных оксидов общим весом 1200 г состава: Y2O3 - 674,87 г; CeO2 - 8,76 г; Al2O3 - 516,47 г. После перемешивания смесь помещалась в молибденовый тигель, который устанавливали в тепловой узел с вольфрамовым нагревателем промышленной установки «Сапфир2МГ». Расплавление и последующую кристаллизацию смеси проводили методом направленной кристаллизации в вакууме при скорости протяжки тигля через зону нагрева 4 мм/час. После завершения цикла материал извлекается из тигля. Он желтого цвета, прозрачен, не содержит посторонних фаз. Из образца полученного материала снят спектр фотолюминесценции при возбуждении ртутно-кварцевой лампой. Интенсивность фотолюминесценции не превышала 45000 отн. ед. с пиком эмиссии на длине волны 540 нм (рис.1).Example 1. To obtain a solid solution of composition Y 2.95 Ce 0.05 Al 5 O 12 (y = 0) a mixture of powdery oxides with a total weight of 1200 g of the composition was prepared: Y 2 O 3 - 674.87 g; CeO 2 - 8.76 g; Al 2 O 3 - 516.47 g. After stirring, the mixture was placed in a molybdenum crucible, which was installed in a heat unit with a tungsten heater of the Sapphire 2MG industrial unit. Melting and subsequent crystallization of the mixture was carried out by directed crystallization in vacuum at a crucible pulling speed through the heating zone of 4 mm / h. After the cycle is completed, the material is removed from the crucible. It is yellow in color, transparent, does not contain extraneous phases. A photoluminescence spectrum was taken from a sample of the obtained material upon excitation by a mercury-quartz lamp. The photoluminescence intensity did not exceed 45,000 rel. units with an emission peak at a wavelength of 540 nm (Fig. 1).

Пример 2. Для получения твердого раствора состава Y2,98Ce0,02Al8O16, (y=2,9) приготовлено 1200 г смеси из порошкообразных оксидов состава: Y2O3 - 541,2 г, CeO2 - 2,76 г, Al2O3 - 654,04 г. Смесь перемешивали, насыпали в молибденовый тигель, который помещали в тепловой узел с нагревателем из вольфрама установки «Сапфир 2МГ». Расплавление и направленную кристаллизацию смеси вели в вакууме при скорости протяжки контейнера 4 мм/час. Получен материал ярко-желтого цвета, прозрачный, без включений. Снятый с полученного материала при его облучении ртутно-кварцевой лампой спектр фотолюминесценции имел интенсивность 100000 отн. ед. на длине волны 540 нм (рис.2).Example 2. To obtain a solid solution of composition Y 2.98 Ce 0.02 Al 8 O 16 , (y = 2.9), 1200 g of a mixture of powdered oxides of the composition were prepared: Y 2 O 3 - 541.2 g, CeO 2 - 2.76 g, Al 2 O 3 - 654.04 g. The mixture was stirred, poured into a molybdenum crucible, which was placed in a heat unit with a tungsten heater from the Sapphire 2MG installation. Melting and directional crystallization of the mixture were carried out in vacuum at a container drawing speed of 4 mm / h. The resulting material is bright yellow, transparent, without inclusions. The photoluminescence spectrum taken from the obtained material during its irradiation with a mercury-quartz lamp had an intensity of 100,000 rel. units at a wavelength of 540 nm (Fig. 2).

Пример 3. Для получения твердого раствора состава Y2,98Ce0,02Al8,99O18 (y=4) приготовлена смесь порошкообразных оксидов весом 1200 г: Y2O3 - 502,92 г, CeO2 - 6,48 г, Al2O3 - 690,6 г. Молибденовый контейнер со смесью поместили в установку «Сапфир 2МГ». Плавление и последующую кристаллизацию вели в вакууме при скорости протяжки контейнера 4 мм/час. Получен непрозрачный материал, слабо люминесцирующий в области 380 нм.Example 3. To obtain a solid solution of composition Y 2.98 Ce 0.02 Al 8.99 O 18 (y = 4) a mixture of powdered oxides weighing 1200 g was prepared: Y 2 O 3 - 502.92 g, CeO 2 - 6, 48 g, Al 2 O 3 - 690.6 g. A molybdenum container with the mixture was placed in the Sapphire 2MG unit. Melting and subsequent crystallization were carried out in vacuum at a container drawing speed of 4 mm / h. An opaque material is obtained that weakly luminesces in the region of 380 nm.

Из приведенных примеров очевидна возможность получения твердого раствора оксида алюминия и иттрий-алюминиевого граната с церием.From the above examples, the possibility of obtaining a solid solution of aluminum oxide and yttrium-aluminum garnet with cerium is obvious.

Использование предлагаемого люминофорного материала дает возможность увеличить в два раза интенсивность фотолюминесценции в сочетании с высокой стабильностью ее в меняющихся климатических условиях, что позволяет существенно расширить область применения светодиодов белого света.Using the proposed phosphor material makes it possible to double the intensity of photoluminescence in combination with its high stability in changing climatic conditions, which can significantly expand the scope of white LEDs.

Claims (1)

Монокристаллический люминофорный материал для светодиодов белого света, включающий иттрий-алюминиевый гранат, активированный церием, отличающийся тем, что он представляет собой твердый раствор оксида алюминия и иттрий-алюминиевого граната с церием и имеет состав, соответствующий формуле
Y3-xCexAl5+yO12+1.5y,
где x=0,02-0,05,
y=0,17-3,97.
Monocrystalline phosphor material for white light emitting diodes, including yttrium-aluminum garnet activated by cerium, characterized in that it is a solid solution of aluminum oxide and yttrium-aluminum garnet with cerium and has a composition corresponding to the formula
Y 3-x Ce x Al 5 + y O 12 + 1.5y,
where x = 0.02-0.05,
y = 0.17-3.97.
RU2012142325/04A 2012-10-05 2012-10-05 Monocrystalline fluorescent material for white light-emitting diodes RU2533709C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012142325/04A RU2533709C2 (en) 2012-10-05 2012-10-05 Monocrystalline fluorescent material for white light-emitting diodes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012142325/04A RU2533709C2 (en) 2012-10-05 2012-10-05 Monocrystalline fluorescent material for white light-emitting diodes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012142325A RU2012142325A (en) 2014-04-10
RU2533709C2 true RU2533709C2 (en) 2014-11-20

Family

ID=50435903

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012142325/04A RU2533709C2 (en) 2012-10-05 2012-10-05 Monocrystalline fluorescent material for white light-emitting diodes

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2533709C2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5998925A (en) * 1996-07-29 1999-12-07 Nichia Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Light emitting device having a nitride compound semiconductor and a phosphor containing a garnet fluorescent material
RU2405804C1 (en) * 2009-07-22 2010-12-10 Открытое акционерное общество "Институт пластмасс имени Г.С. Петрова" Polymer luminescent composition for obtaining white light excited by blue light-emtting diode
CN102181291A (en) * 2011-03-23 2011-09-14 山东轻工业学院 Method for preparing cerium doped yttrium aluminum garnet fluorescent powder

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5998925A (en) * 1996-07-29 1999-12-07 Nichia Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Light emitting device having a nitride compound semiconductor and a phosphor containing a garnet fluorescent material
RU2405804C1 (en) * 2009-07-22 2010-12-10 Открытое акционерное общество "Институт пластмасс имени Г.С. Петрова" Polymer luminescent composition for obtaining white light excited by blue light-emtting diode
CN102181291A (en) * 2011-03-23 2011-09-14 山东轻工业学院 Method for preparing cerium doped yttrium aluminum garnet fluorescent powder

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012142325A (en) 2014-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2641282C2 (en) New phosphors, such as new red-emitting line-emission phosphors, for solid source of light
Sakuma et al. Red-shift of emission wavelength caused by reabsorption mechanism of europium activated Ca-α-SiAlON ceramic phosphors
JP5632961B2 (en) Oxycarbonitride phosphor and light emitting device using the same
TWI515175B (en) A ceramic composite for optical conversion, a method for manufacturing the same, and a light-emitting device provided with the same
JP6119739B2 (en) Ceramic composite for light conversion and light emitting device using the same
JP6368357B2 (en) Nitridoalmosilicate phosphors for solid-state lighting
JP2016201569A (en) Light-emitting device
TW201504394A (en) Phosphor and light emitting device
Li et al. Optical properties of green-blue-emitting Ca-α-Sialon: Ce3+, Li+ phosphors for white light-emitting diodes (LEDs)
TW201231620A (en) Green light-emitting phosphor and light-emitting device
Huang et al. Effect of fluxes on synthesis and luminescence properties of BaSi2O2N2: Eu2+ oxynitride phosphors
Su et al. Improving the thermal stability of phosphor in a white light-emitting diode (LED) by glass-ceramics: Effect of Al2O3 dopant
Huo et al. Effective assembly of a novel aluminum-oxynitride BaAl11O16N activated by Eu2+ and Mn2+ via salt-flux assistance and its photophysical investigation
Wang et al. Molten-salt synthesis of large micron-sized YAG: Ce3+ phosphors for laser diode applications
US9441153B2 (en) UV photoexcited red light-emitting material and light emitting apparatus
Bekker et al. Luminescence properties of rare-earth-doped fluoride borate crystals
Nishiura et al. Preparation and optical properties of Eu2+ and Sm3+ co-doped glass ceramic phosphors emitting white color by violet laser excitation
RU2533709C2 (en) Monocrystalline fluorescent material for white light-emitting diodes
US9651483B1 (en) Compositions of inorganic luminescent materials
KR101593286B1 (en) Fluorophore and light-emitting device
Cai et al. Enhanced luminescence and energy transfer in Ca2AlSi3O2N5: Eu2+ phosphors by co-doping with Ce3+
WO2019181618A1 (en) Phosphor and light-generating device
CN103881719B (en) Phosphor and light emitting device
CZ305254B6 (en) Luminophores (LicNadKeRbfCsg)(LahGdiLujYk)1-aEuaS2-b for solid-state light sources
Shijie et al. Preparation and Luminescence Properties of Na 2 Ca 2.92 Si 6 O 16: 0.08 Eu 3+ Phosphors

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151006