TWI619906B - 使用光擴散劑之磷光板 - Google Patents

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Abstract

本揭露關於一種使用光擴散劑之磷光板，且特別地關於具有光擴散劑添加於其內之一種磷光板，進而擴散板內光線以增加光轉換之效率。

Description

使用光擴散劑之磷光板
本揭露關於一種使用光擴散劑之磷光板，且更關於具有光擴散劑添加於其內之一種磷光板，進而擴散板內光線以增加光轉換之效率。
於現有光系統中，使用發光二極體(LED)而獲得白光發光裝置之方法主要分為三種：採用紫外光發光二極體光源並激發為光之三原色的紅色、綠色、藍色之磷光物(phosphor)而得到白光之方法；採用藍光發光二極體作為光源並激發紅色與綠色磷光物而得到白光之方法；以及採用藍光二極體作為光源並激發黃色磷光物而得到白光之方法。
於此些方法之中，廣泛地使用白光發光二極體作為高效與高度可靠之白色照明光源。然而，一般來說現今常採用之方法之中使用了樹脂作為模組(matrix)以及藍光發光二極體裝置與黃光磷光物。然而，其存有因藍光具有可輕易地毀壞樹脂之強能量進而造成變色之問題，或具有增加溫度之不期望的生熱問題，進而使得發光顏色朝向黃色偏移。
基於上述問題，便使用採用陶瓷顆粒作為使用具有磷光物之模組材料的磷光板。
關於現有磷光板之技術，現有磷光板專注於藉由指定磷光物內所包含之多種成份、混合細小粒子或形成多種膜層以改善磷光物的特性。舉例來說，韓國專利申請案公開號第10-2015-0091614號揭示了包含由二氧化矽、氧化硼與氧化鋅及包括I族與II族金屬之金屬氧化物之任一個或多個氧化物之光學傳感器用之一種玻璃組合物，其中氧化硼與包括I族與II族金屬之氧化物的含量相對於整體成份為35重量百分率(wt%)或更少；以及藉由具有透過玻璃化用於光學傳感器之玻璃組合物而得到之玻璃料作為模組，並燒結至少一種磷光粉而得到所需之一陶瓷磷光板。
於另一範例中，日本專利申請案公開號第2011-188001號揭示了一種固態發光裝置，其包括一固態發光晶粒及包括如一發光元件、一折射元件、一濾光元件或一散射元件、一擴散元件或一反射元件之一或多個光學元件之一透明且不可撓之硬板，且其採用了透明且不可撓的硬板以及固態發光晶粒以提供光學結合層。於此情形中，追求了發光效率的改善，然而材料組成極為複雜且不經濟。
此外，韓國專利申請案公開號第10-2014-0035553號提出藉由於玻璃中穿插磷光物之一種磷光膜之形成方法。然而，相比於陶瓷板時，當於高輸出發光二極體中採用時，其具有熱穩定性降低之問題。
如前所述，對於現有磷光板而言，發光特性主要藉由提供結構之具體特性而改善，而因此較難期望磷光板本身的發光特性的改善。
特別地，當為雷射或雷射二極體(LD)所照射時，現今技術具有低效率之光轉換的問題。
此外，相較於發光二極體，雷射二極體不會有發光效率的損失，且於許多情形下，於增加電流下具有較佳效率，並可維持顏色的穩定度。如此，便存在有依賴雷射二極體之較佳的固態白色照明裝置的技術需求。
先前技術文獻：
(專利文件1)韓國專利申請案公開號第10-2015-0091614號
(專利文件2)日本專利申請案公開號第2011-188001號
(專利文件3)韓國專利申請案公開號第10-2014-0035553號
因應前述內容，本揭露已經完成，且本揭露關於於採用雷射或雷射二極體照射於磷光板上時，光轉換的轉換效率的增進。
如此，本揭露係關於藉由於製造磷光板時藉由光擴散劑的使用而提供磷光板之光轉換效率的增進。
有鑑於前述問題，本揭露提供了一種使用光擴散劑之磷光板，其中光擴散劑係包含於散佈有磷光物之光轉換模組內，但此光擴散劑為相對於光轉換模組之30重量百分率至60重量百分率而散佈。
10、100‧‧‧光轉換模組
20、200‧‧‧磷光物
30、300‧‧‧磷光板
40、400‧‧‧分光鏡
500‧‧‧光擴散劑
本揭露之標的與特性將藉由配合以下實施例描述及以下 圖式而清楚顯示，其中：第1圖為一示意圖，顯示了依據現有技術之一磷光板之組態；第2圖為一示意圖，顯示了依據本揭露之針對第1圖之組態而使用光擴散劑所形成之一磷光板；以及第3圖為一示意圖，顯示了用於製備本揭露之使用光擴散劑之磷光板之製程。
於下文中，本揭露將以實施例詳細解說。
本揭露藉由添加光擴散劑至現有磷光板內以增加光轉換率。
依據本揭露之一較佳實施例，可採用僅由純磷光物之磷光物所形成之一平板作為本實施例內使用之磷光板的光敏模組(photoactive matrix)。
此外，本揭露可額外地使用常見樹脂組成物作為形成磷光板之光轉換模組。
可採用擇自於氧化鋁、硝酸鋁或具有以下化學式1之尖晶石結構中之材料中之一或多個，以作為於本揭露之磷光板之基板組成物之光轉換模組內使用之較佳光擴散劑，且於前述材料中，較佳地使用氧化鋁、硝酸鋁及具有以下化學式1之尖晶石結構中之材料中之一混合物。
[化學式1]：AB2O4
在此，A與B分別為不同金屬元素，而較佳地A為 鎂而B為鋁。
依據本揭露之光擴散劑可採用如具有100奈米至1微米之平均粒徑之材料。特別地，由於在燃燒(buring)時可最小化孔洞的產生，較佳地具有尺寸相似於YAG前驅物之粒子。
依據本揭露之較佳實施例，磷光物可由摻雜有光學激發元素之無機受體材料所組成。對多數之受體而言，可使用具有化學式為Y3Al5O12之石柳石。在此，A與B代表可使用之化學成份。於本揭露中可使用為釔鋁石榴石(YAG)之包括Y3Al5O12之石柳石。除此之外，亦可採用鎦鋁石榴石基磷光物、氮化物基磷光物、硫化物基磷光物、矽酸鹽基磷光物、或前述材料中二個或更多之一混合物作為磷光物。
可使用具有100奈米至1微米之一平均粒徑之Y3Al5O12磷光前驅物作為本揭露中使用之磷光物前驅物之粒子。當此些粒子具有大於1微米之一平均粒徑時，會增加結晶晶粒的尺寸而導致更多的孔洞，而可能會發生效率問題及可靠度下降。
依據本揭露之較佳實施例，採用稀土氧化物與稀土化合物可被包含在稀土，此稀土材料作為光學激發摻質。大部分的稀土元素可被光學地激發。可使用白光YAG磷光物用之鈽、雷射用之釹、光學放大器用之鉺、可見光阻障用之氧化釭或相似物，以作為稀土發光二極體。
於本揭露中，作為磷光物粒子之多數的適用組成物一定不能於燃燒YAG板時抑制YAG結晶的形成，且不應該具有能夠擴散光線之同向性結構。當粒子具有同向性結構時，光 線可能沒有經過擴散而傳播，且因此無法使用此些粒子。
於白光發光二極體燈具中，磷光物的空間分佈強烈地影響了此燈具之色彩均勻度與效率。如此之磷光物分佈可分為近光磷光分佈與遙控磷光分佈。遙控磷光分佈具有與半導體晶粒空間地分隔之磷光物的結構。基於如重力、浮力、與摩擦力之複雜作用，磷光粒子可具有不同分佈狀態，且通常大的磷光粒子可向下移動，而磷光物於發光二極體晶粒表面為較厚的分佈。
依據本揭露，具有均勻厚度之磷光物分佈可提供低發光區與高亮度。
依據本揭露之一較佳實施例，可使用擇自如壓克力基有機粒子、矽基玻璃粒子及二氧化矽球中之一或多個作為前述磷光板內之光擴散劑。
同時，當依據本揭露之光擴散劑具有少於100奈米之平均粒徑時，可能發生傳輸光線之顏色改變成為帶紅色或帶黃色顏色之問題，以及擴散效應的減少。此外，當平均粒徑尺寸係大於1微米時，光擴散效應並不足夠且因此需要極大量的擴散劑，其可能導致其他物理特性的下降問題。
依據本揭露之較佳實施例，如此之光擴散劑較佳地為相對於光轉換模組中所包括之30重量百分率至60重量百分率，且較佳地包括40重量百分率至60重量百分率。當含量太低時，可能無法獲得足夠之光擴散效應，且當含量大於60重量百分率時，光擴散效應減低而藍色雷射光的穿透率增加，造成了色度調整的困難。
如前所述，為了解決由照射雷射與發光二極體至現有磷光板之光轉換的低效率問題，本揭露於磷光板內加入光擴散劑，並分散無法於板內轉換之光線，而因此能夠增加光轉換的效率。
為了清楚判定本揭露之特徵，於第1圖內概念地繪示了現有磷光板之組態。
第1圖顯示了現有的散佈有磷光物(20)之光轉換模組(10)之結構。在此，磷光板(30)之表面係為分光鏡(40)所覆蓋。如此，當光線照射在光轉換模組(10)上時，光轉換效率並不夠高。
第2圖為示意圖，顯示了採用本揭露之光擴散劑(500)的磷光板(300)。第2圖顯示了除第1圖結構以外，並將光擴散劑(500)散佈進入於磷光板(300)之內之結構。在此，依據本揭露，當光線照射時，於光擴散模組(100)藉由光擴散劑(500)內產生了光的分散，而因此顯著改善了光轉換效率。在此，標號200代表磷光物，而400代表分光鏡。
第3圖為一示意圖，顯示了用於製備依據本發明之使用光擴散劑之磷光板之一製程，以作為一實施例。
第3圖繪示並詳細描述了製備依據本發明之使用光擴散劑之磷光板之一製程內各製程的各個製程條件。
特別地，當相較於現有的膏式封裝(past packaging)，依據本揭露之磷光板的優點包括了基於透過精密邊緣製備之平板的極佳厚度均勻度可獲得低色彩分佈及為100：1或更高之高色彩對比度，降低的熱色彩偏移，具有極佳 輻射均勻度，於早於此板安裝階段之前藉由磷光特性掃描解決篩選(binning)問題，以及當使用高輸出發光二極體與雷射二極體時可確保穩定度與可靠度。
此外，相比於現有磷光板，本揭露可以增加光轉換率。
於下文中，本揭露將參考實施例進行描述，然而，本揭露並非以此些實施例為限。
實施例1-4
依照第3圖所示製程，採用Y2O3/Al2O3/CeO2作為原料而製作得到磷光板。
使用上述原料，秤重上述原料並於300rpm下施行球磨約20小時，並於1200℃施行用於前驅物之第一燃燒12小時。
可使用球磨於300rpm下混合光擴散劑約20小時，以及於3000公斤力/平方公分之模塑壓力下模塑出此平板。在此，分別改變於各實施例中所添加之光擴散劑的量為30重量百分率、40重量百分率、50重量百分率、與60重量百分率，以準備各個試樣。
於模塑之後，於900℃之燃燒溫度下燃燒此平板兩小時，且接著於1600℃之燃燒溫度下燃燒12小時。接著，於燃燒溫度約1400℃之下施行最終之熱處理20小時，以製作包含光擴散劑之磷光板。
比較實施例
採用如實施例之相同方式製造磷光板，除了不添加光擴散 劑之外，或添加30重量百分率至60重量百分率以外範圍外的光擴散劑。
實驗實施例
量測實施例1-4與比較實施例中所準備的磷光板之物理特性。以下表1中顯示了結果。量測物理性質之方法與安裝此板至雷射模組上並將之插入於一整合球體中而量測光學特性有關。
參照表1，可判別出相較於比較實施例，此些實施例於光量與色彩座標物理特性數值表現出顯著之較佳結果。
依據本實施例，藉由於磷光板內使用光擴散劑，由於藉由準確的邊緣製備之平板之較佳厚度均勻度，而可得到相較於現今膏狀封裝之低色彩分佈以及100：1或更高之高色彩對比。
此外，可期待熱色彩偏移的減低、極佳輻射均勻度、早於此板安裝階段之前藉由磷光特性掃描解決篩選(binning)問題，以及確保使用高輸出發光二極體與雷射二極體時之穩定度與可靠度等效應。
特別地，相較於現有磷光板，基於光擴散劑的使用，依據本揭露之磷光板可顯著地增加光轉換率。

Claims (5)

  1. 一種使用光擴散劑之磷光板，包括位於散佈有磷光物之光轉換模組內之該光擴散劑，其中該光擴散劑係相對於該光轉換模組之30重量百分率至60重量百分率而散佈，並具有100奈米至1微米之平均粒徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之使用光擴散劑之磷光板，其中該光轉換模組為僅由純磷光物所形成之一平板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之使用光擴散劑之磷光板，其中該磷光物係由釔鋁石榴石基磷光物、鎦鋁石榴石基磷光物、氮化物基磷光物、硫化物基磷光物、矽酸鹽基磷光物、或前述材料中二個或更多個之一混合物所形成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之使用光擴散劑之磷光板，其中該光擴散劑為擇自壓克力基有機粒子、矽基玻璃粒子及二氧化矽球中之一或多個。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之使用光擴散劑之磷光板，其中該光擴散劑為擇自氧化鋁、硝酸鋁或具有以下化學式1之尖晶石結構中之材料中之一或多個：[化學式1]：AB2O4其中，A與B分別為不同金屬元素，而A為鎂而B為鋁。
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