TWI430972B - 低溫玻璃螢光體及其製法 - Google Patents

Description

低溫玻璃螢光體及其製法

本發明係有關於一種LED封裝材料，特別是指一種應用於白光LED模組，且以低溫燒結形成之低溫玻璃螢光體及其製法。

近年來，由於白光發光二極體(white light-emitting diodes,WLEDs)具有如使用壽命長、體積小、發光效率佳等許多優勢而逐漸取代傳統燈泡光源。

目前，高功率白光LED封裝製程的主要方法之一，係使用藍光晶片搭配塗佈於藍光晶片的高分子螢光膠，使該藍光經穿透該高分子螢光膠形成白光光源；其中，高分子螢光膠係包含釔鋁石榴石(Yttrium Aluminum Garnet,YAG)螢光粉及矽膠；然而，由於發光二極體應用於白光照明日趨普及，所需之亮度及功率亦隨之增加，且藍光晶片之消耗功率與熱能成正比，因此當藍光晶片應用於高亮度的場合而需要極高的功率時，藍光晶片表面所產生之熱能將導致矽膠迅速老化，如此將使得發光光源出現流明損失加劇、色度飄移趨於嚴重及品質穩定性不佳的情況。

由於玻璃具有良好的光穿透性，且具有與螢光粉混合均勻的能力，故有發明人提出以具有更良好耐熱性的玻璃材料取代矽膠與螢光粉混合燒結，形成一同時具有玻璃特性與螢光特性之玻璃螢光體，而大幅的改善因高分子材料的先天限制造成之熱效應影響，得到不易受LED晶片發出熱能影響導致老化現象的LED封裝材料；然而，玻璃材料的加工溫度普遍在1000℃以上，除了提高製程上的困難，同時也會使螢光粉的晶格結構因高溫破壞而喪失螢光能力； 此外，若玻璃的加工溫度過低，則玻璃無法達到可成型的軟化點或是熔點，將無法使玻璃粉熔融聚集而只能形成易碎且透光性極差的粉狀塊體，故製作玻璃螢光體時，玻璃材料之成分組成即成為影響其加工溫度以及螢光效率之重要因素。

有鑑於上述習知之使用問題，本案發明人認為有必要開發一種藉其玻璃材料組成比例降低其玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度等性質的低溫玻璃材料，以使該低溫玻璃材料進行低溫燒結，並與螢光粉混合製備成具高效能之低溫玻璃螢光體。

本發明之主要目的在於提供一種低溫玻璃螢光體，其係具有低溫玻璃材料及螢光粉製成，該低溫玻璃材料係由二氧化矽(SiO₂ )、氧化鋁(Al₂ O₃ )、氧化鈉(Na₂ O)組成之鈉玻璃系統低溫玻璃材料，或由五氧化二磷(P₂ O₅ )、氧化錫(SnO)、氧化鋇(BaO)組成之磷酸鹽玻璃系統低溫玻璃材料，並藉調整該低溫玻璃材料之組成比例以降低其玻璃轉化溫度、玻璃軟 化溫度、玻璃起始結晶溫度，達到於該玻璃螢光體製程中進行低溫燒結；其中：於該鈉玻璃系統中，該二氧化矽(SiO₂ )係佔該低溫玻璃材料整體重量的40~50wt%，該氧化鋁(Al₂ O₃ )佔5~10wt%以及該氧化鈉(Na₂ O)佔40~50wt%；透過固定該二氧化矽(SiO₂ )所佔比例，以及增加氧化鈉(Na₂ O)比例、減少氧化鋁(Al₂ O₃ )比例，達到降低該低溫玻璃材料的玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度、玻璃起始結晶溫度；於該磷酸鹽玻璃系統中，該氧化錫(SnO)係佔該低溫玻璃材料整體重量的55~70wt%，該五氧化二磷(P₂ O₅ )佔25~35wt%，以及該氧化鋇(BaO)佔5~15wt%；透過固定該五氧化二磷(P₂ O₅ )所佔比例，並增加氧化錫(SnO)比例、減少氧化鋇(BaO)比例，達到降低玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度、玻璃起始結晶溫度以及提高折射率；或者，透過固定該氧化鋇(BaO)所佔比例，並增加五氧化二磷(P₂ O₅ )比例、減少氧化錫(SnO)比例，達到降低玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度。

較佳的是，於該鈉玻璃系統中，該低溫玻璃材料具有佔其整體重量比例40wt%之二氧化矽(SiO₂ )、10wt%之氧化鋁(Al₂ O₃ )以及50wt%之氧化鈉(Na₂ O)，且該低溫玻璃材料之折射率為1.64，其玻璃轉移溫度為400℃，其玻璃軟化溫度為650℃，其可見光穿透率為大於68%。

較佳的是，於該磷酸鹽玻璃系統中，該低溫玻璃材料具 有佔其整體重量比例65wt%之氧化錫(SnO)、10wt%之氧化鋇(BaO)以及25wt%之五氧化二磷(P₂ O₅ )，且該低溫玻璃材料之折射率為1.78，其玻璃轉化溫度為375℃，其玻璃軟化溫度為588℃，其可見光穿透率為90%。

本發明之另一目的在於提供一種低溫玻璃螢光體之製法，其係使用如前述之低溫玻璃螢光體進行製備，令該低溫玻璃材料經低溫燒結而與該螢光粉均勻混合，再置入一熱壓模機加熱熔融，最後固化形成具一種高可靠度、高耐熱且符合光學玻璃等級所需要求的低溫玻璃螢光體；其方法步驟包括：a、低溫燒結步驟，b、水淬成型步驟，c、研磨步驟，d、混合預燒步驟，e、混合物研磨步驟以及f、熱壓成型步驟。

該低溫玻璃螢光體之製法主要是將該低溫玻璃材料以1100~1300℃進行低溫燒結後，置入水或液態氮進行冷卻，使該低溫玻璃材料冷卻並研磨形成一粒徑為100~200μm之玻璃細砂，接著將該玻璃細砂與該螢光粉乾式混合後進行一次預稍，而形成一呈粉狀或顆粒狀之混合物，再將該混合物研磨至粒徑為2~6μm且均勻混合之玻璃螢光粉。

於本發明之實施例中，將說明該低溫玻璃螢光體之配方及其製法。

本發明低溫玻璃螢光體包括低溫玻璃材料及螢光粉，其中該螢光粉係可選自鋁酸鹽(YAG)、矽酸鹽(Silicate)、氮化 物(Nitride)等螢光材料，於本實施例中，該螢光粉係選擇釔鋁石鎦石螢光粉(YAG，yttrium aluminum garnet)，化學式為Y₃ Al₅ O₁₂ ，並以鈰(Ce，Cerium)為主體晶格(Host Lattice)而釔鋁石鎦石螢光粉為活化劑(Activator)成分組成；其中鈰元素原子量為58，融點為795℃。

該低溫玻璃材料係為由二氧化矽(SiO₂ )、氧化鋁(Al₂ O₃ )、氧化鈉(Na₂ O)組成之鈉玻璃系統低溫玻璃材料，或由五氧化二磷(P₂ O₅ )、氧化錫(SnO)、氧化鋇(BaO)組成之磷酸鹽玻璃系統低溫玻璃材料；於該鈉玻璃系統中，如表一所示，該二氧化矽(SiO₂ )係佔該低溫玻璃材料整體重量的40~50wt%，該氧化鋁(Al₂ O₃ )佔5~10wt%以及該氧化鈉(Na₂ O)佔40~50wt%；於本實施例中，如表二所示，當固定該低溫玻璃材料的二氧化矽(SiO₂ )含量，並增加氧化鈉(Na₂ O)比例、減少氧化鋁(Al₂ O₃ )比例，達到降低該低溫玻璃材料的玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度、玻璃起始結晶溫度，當固定氧化鋁(Al₂ O₃ )含量，並增加二氧化矽(SiO₂ )比例、減少氧化鈉(Na₂ O)比例，則可強化玻璃結構，而提高玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度及玻璃起始結晶溫度；

如表一、表二所示，其中，鈉玻璃系統之該低溫玻璃材料的較佳成分比例為，具有佔其整體重量40wt%之二氧化矽(SiO₂ )、10wt%之氧化鋁(Al₂ O₃ )、50wt%之氧化鈉(Na₂ O)成分比例，且該低溫玻璃材料之玻璃轉化溫度為400℃，玻璃軟化溫度為650℃，折射率為1.64，可見光穿透率為大於68%。

於該磷酸鹽玻璃系統中，如表三所示，該氧化錫(SnO)係佔該低溫玻璃材料整體重量的55~70wt%，該五氧化二磷 (P₂ O₅ )佔25~35wt%，以及該氧化鋇(BaO)佔5~15wt%；透過固定該五氧化二磷(P₂ O₅ )所佔比例，並增加氧化錫(SnO)比例、減少氧化鋇(BaO)比例，達到降低玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度、玻璃起始結晶溫度以及提高折射率；或者，透過固定該氧化鋇(BaO)所佔比例，並增加五氧化二磷(P₂ O₅ )比例、減少氧化錫(SnO)比例，達到降低玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度。

如表三、表四所示，其中磷酸鹽玻璃系統之該低溫玻璃材料的較佳成分比例為，具有佔其整體重量比例65wt%之氧化錫(SnO)、10wt%之氧化鋇(BaO)以及25wt%之五氧化二磷(P₂ O₅ )，且該低溫玻璃材料之折射率為1.78，玻璃轉移溫度為375℃，玻璃軟化溫度為588℃，可見光穿透率為90%。

以上所述即為本發明低溫玻璃螢光體之配方實施例主要說明，至於本發明低溫玻璃螢光體較佳實施例之製備方法及其功效，做以下說明。

請配合參閱下列各圖表所示，本發明低溫玻璃螢光體的製法，其主要以前述之低溫玻璃材料及螢光粉進行製備；其中，該方法步驟包括a、低溫燒結步驟，b、水淬成型步驟，c、研磨步驟，d、混合預燒步驟，e、混合物研磨步驟以及f、熱壓成型步驟；其中：該低溫燒結步驟a，係將前述低溫玻璃材料置於一容器內，並以1100~1300℃進行低溫燒結；該水淬成型步驟b，將該低溫玻璃材料置入水或液態氮中進行冷卻，令該低溫玻璃材料冷卻後形成一玻璃細砂；該研磨步驟c，將該玻璃細砂置入一行星式球磨機，並研磨至粒徑為2~6μm；於本實施例中，該玻璃細砂研磨至粒徑3μm為較佳；該混合預燒步驟d，將該玻璃細砂與該螢光粉乾式混合，形成一混合粉體；於本實施例中，該混合預燒步驟d係 將該玻璃細砂與該螢光粉置入一旋轉攪拌機，並攪拌混合30~60分鐘後得該混合粉體；該混合研磨步驟e，將該混合粉體研磨至粒徑為2~6μm，得一均勻混合之玻璃螢光粉；於本實施例中，該混合研磨步驟e係以一研缽研磨該混合粉體20~30分鐘後得該玻璃螢光粉。

綜上所述，本發明係藉由調製該低溫玻璃材料之成分比例，達到降低其玻璃轉化溫度、玻璃軟化溫度及玻璃起始結晶溫度，使經過低溫燒結、水淬成型、研磨、混合等步驟後形成之玻璃細砂，能與該螢光粉再經混合攪拌、混合研磨等步驟，令該低溫玻璃材料與該螢光粉在熱壓成型步驟的相對低溫下，兩材料熔融混合均勻並固化離型，形成符合光學玻璃等級之所需要求以應用於白光LED模組之該低溫玻璃螢光體。

a‧‧‧低溫燒結步驟

b‧‧‧水淬成型步驟

c‧‧‧研磨步驟

d‧‧‧混合預燒步驟

e‧‧‧混合物研磨步驟

f‧‧‧熱壓成型步驟

第1圖 本發明低溫玻璃螢光體的製法之步驟流程圖。

a．．．低溫燒結步驟

b．．．水淬成型步驟

c．．．研磨步驟

d．．．混合預燒步驟

e．．．混合物研磨步驟

f．．．熱壓成型步驟

Claims (8)

1. 一種低溫玻璃螢光體，該玻璃螢光體包括低溫玻璃材料及螢光粉，其特徵在於：該低溫玻璃材料由40~50wt%之二氧化矽(SiO₂ )、5~10wt%之氧化鋁(Al₂ O₃ )以及40~50wt%之氧化鈉(Na₂ O)組成，且該低溫玻璃材料具有402~485℃之玻璃轉化溫度，650~705℃之玻璃軟化溫度，且該低溫玻璃材料之可見光穿透率為68~72%，折射率為1.57~1.68。
2. 如申請專利範圍第1項所述之低溫玻璃螢光體，其中，該二氧化矽(SiO₂ )係佔該低溫玻璃材料整體重量之40wt%，該氧化鋁(Al₂ O₃ )佔該低溫玻璃材料整體重量之10wt%，該氧化鈉(Na₂ O)佔該低溫玻璃材料整體重量之50wt%，且該低溫玻璃材料之玻璃轉化溫度為400℃，玻璃軟化溫度650℃為，且該低溫玻璃材料具有大於68%之可見光穿透率，折射率為1.64。
3. 一種低溫玻璃螢光體，該玻璃螢光體包括低溫玻璃材料及螢光粉，其特徵在於：該低溫玻璃粉由佔其整體重量55~70wt%之氧化錫(SnO)、25~35wt%五氧化二磷(P₂ O₅ )以及5~15wt%氧化鋇(BaO)組成，且該低溫玻璃材料具有339~375℃之玻璃轉化溫度，534~588℃之玻璃軟化溫度，且該低溫玻璃材料之可見光穿透率為86~90%，折射率為1.74~1.78。
4. 如申請專利範圍第3項所述之低溫玻璃螢光體，其中，該氧化錫(SnO)係佔該低溫玻璃材料整體重量之65wt%，該五氧化二磷(P₂ O₅ )佔該低溫玻璃材料整體重量之25wt%，該氧化鋇(BaO)佔該低溫玻璃材料整體重量之10wt%，且該低溫玻璃材料之玻璃轉化溫度為375℃，玻璃軟化溫度為588℃，且該低溫玻璃材料具有90%之可見光穿透率，折射率為1.78。
5. 如申請專利範圍第1或3項所述之低溫玻璃螢光體，其中，該螢光粉係為釔鋁石鎦石螢光粉，且該螢光粉佔該低溫玻璃螢光體整體重量之0.1~10wt%。
6. 一種低溫玻璃螢光體的製法，其係以如申請專利範圍第1或3項所述之低溫玻璃材料及螢光粉進行製備；其中，該方法步驟包括：a、低溫燒結步驟：將該低溫玻璃材料置於一容器內，並以1100~1300℃進行低溫燒結；b、水淬成型步驟：將該低溫玻璃材料置入水或液態氮進行冷卻，令該低溫玻璃材料冷卻後形成一玻璃細砂；c、研磨步驟：將該玻璃細砂置入一球磨機，並研磨至粒徑為2~6μm；d、混合預燒步驟：將該玻璃細砂與該螢光粉乾式混合後進行預燒，形成一呈粉狀或顆粒狀之混合物；e、混合物研磨步驟：將該混合物研磨至粒徑為2~6 μm，得一均勻混合之玻璃螢光粉；f、熱壓成型步驟：將該玻璃螢光粉置入一熱壓模機之模穴內，並加熱該模穴為400~1100℃，令該玻璃螢光粉於該模穴內熱融，待該熱壓模機冷卻，該玻璃螢光粉離型形成該低溫玻璃螢光體。
7. 如申請專利範圍第6項所述之低溫玻璃螢光體製法，其中，該研磨步驟係以該球磨機研磨該玻璃細砂30~60分鐘，且該球磨機為一行星式球磨機。
8. 如申請專利範圍第6項所述之低溫玻璃螢光體製法，其中，該混合研磨步驟係以一研缽研磨該混合粉體20~30分鐘而得該玻璃螢光粉。