TWI652327B - 光致發光材料 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種光致發光材料，其包括：一核心載體；以及一螢光粉混合物，係包含於核心載體之內部，且螢光粉混合物係包含至少兩種螢光粉體。本發明之光致發光材料中之螢光粉體係於核心載體內部進行混光，而可於光致發光材料表面發出一均勻之混合光。

Description

光致發光材料

本發明係關於一種光致發光材料，尤指一種表面包覆有螢光層之光致發光材料，當以光照射螢光層中之螢光粉體時，不同螢光粉體所激發出之原色光可於光致發光材料表面混合，而發出一混合光。

近年來，因發光二極體(LED)具有發光效率高、耗電量少、使用壽命長、及元件體積小等優點，已廣泛應用於各種發光裝置中，並取代數種照明設備。

然而，LED卻難以應用於民生照明市場，除了發光二極體具有散熱、亮度不足和亮度遞減等問題外，更具有無法直接激發出白光的問題。因此，已有許多研究企圖發展出高效率之白光LED，以取代現有的照明設備。

目前主流之白光LED，係利用藍光發光二極體晶片配合黃光之YAG螢光粉體，以做為白光光源。雖然以此互補色原理所產生白光，其光譜波長分布之連續性不如太陽光，而有色彩不均的情形，故色彩飽和度較低。因此，以此方式產生之白光光源僅可用於低階光源，並無法廣泛應用於民生照明市場。

此外，亦可利用紫外光發光二極體晶片配合紅光、綠光、以及藍光三色螢光粉，藉由紅藍綠三原色之混光機制，可混合成白光。由於使用的紫外光LED晶片激發強度及轉換效率較高，因此可得強度更高之白光。

目前使用不同顏色螢光粉之混光機制形成白光，係將含有不同顏色螢光粉體之膠體覆蓋於LED晶片上，經烘乾及封裝製程，可製得一白光LED。然而，因一般所使用的螢光粉體粒徑較大，且多種螢光粉體混合不均，而容易有混光不均勻的情形發生，故無法得到具有所需色溫及演色性之白光LED。此外，更因螢光粉體呈現不規則狀，造成螢光粉體在激發後出光均勻性降低。

因此，目前亟需發展出一種螢光材料，其粒徑大小均一且外型規則以提升螢光粉體之出光均勻性，且可於螢光材料本體表面即可均勻混光以發出白光，而應用在白光LED照明上。

本發明之主要目的係在提供一種光致發光材料，俾能經光源激發後，即於光致發光材料表面進行混光。

為達成上述目的，本發明之光致發光材料，其包括：一核心載體；以及一螢光粉混合物，係包含於核心載體之內部，且螢光粉混合物係包含至少兩種螢光粉體。

本發明之光致發光材料，係將螢光粉包覆於核心載體內部，故相較於習知粒徑不規則之螢光粉體，本發明之光致發光材料整體粒徑均一，且球型殼體具有極佳之全反射效果，故本發明之光致發光材料具有較高之出光均勻性。同時，習知之混合有多種螢光粉體之膠體，其各種螢光粉體所發出的激發光係於螢光粉體表面釋放出，而得一混合光；但本發明之光致發光材料中之各種螢光粉體，其各種螢光粉體所發出的激發光係於核心載體內部進行混光，再於核心載體表面釋放出，故混光效果更加均勻。再者，本發明之光致發光材料，可於合成前先調整混合螢光粉體之色溫及演色性，若將來做為發光二極體之螢光材料時，更可使發光二極體廢料產生降至最低。

於本發明之光致發光材料中，螢光粉混合物可更包含一電子侷限材料。較佳為，此電子侷限材料係為一量子點，如CdSe：ZnS、或Si量子點。更佳為，此電子侷限材料係為CdSe：ZnS。

在此，所謂的電子侷限材料，即量子點，指的是半導體材料所製成的螢光奈米顆粒。這些量子點發光的顏色會隨著顆粒的大小而改變，當顆粒越小，顏色便會越趨近於光譜的藍色端。

於本發明之光致發光材料中，電子侷限材料之粒徑可介於10nm至3μm之間，且較佳係介於10nm至100nm之間。

於本發明之光致發光材料中，核心載體較佳為球型載體，且核心載體之粒徑可介於350nm至5μm之間。此外，核心載體之材料較佳可為SiO_x、TiO_x、PS、PMMA、或三聚氰胺樹脂，X之範圍係介於0.5~2之間。

於本發明之光致發光材料中，螢光粉體之粒徑可介於10nm至3μm之間，且較佳係介於10nm至100nm之間。

此外，於本發明之光致發光材料中，所使用之各種螢光粉體係較佳係各自為具有不同放光波長之螢光粉。螢光粉體之材料較佳可選自由ZnO、ZrO₂、PbO、Y₂O₃、Y₂O₂、Zn₂SiO₄、Y₃Al₅O₁₂、Y₃(AlGa)₅O₁₂Y₂SiO₅、LaOCl、InBO₃、ZnGa₂O₄、ZnS、PbS、CdS、CaS、SrS、Zn_xCd_1-xS、Y₂O₂S、Gd₂O₂S、及AlN所組成之群組之化合物，且X係介於0.1至0.9之間。

上述之螢光粉體材料之化合物，可更摻雜至少一選自由Cu、Ag、Eu、Yb、La、Cl、Tb、Al、Ce、Er、Zn、Mn、其他鑭系元素(Pr、Pm、Sm、Ho)、及鑭錒性鹼土族元素所組成之群組之元素，以使螢光粉體可具有不同的放光波長。

當激發本發明之光致發光材料的光源為藍光發光二極體時，若螢光粉混合物可包含紅光螢光粉及綠光螢光粉，則可於光致發光材料表面混光而 發出白光。當激發本發明之光致發光材料的光源為紫外光發光二極體時，若螢光粉混合物包含紅光螢光粉、綠光螢光粉及藍光螢光粉，則可於光致發光材料表面混光而發出白光。

於本發明之光致發光材料中，螢光粉體可採用一般水熱法、溶膠凝膠法、共沉澱法。此外，核心載體之尺寸可透過酸鹼性和原料濃度控制。溶膠凝膠法合成SiO_x或TiO_x非晶球體、利用噴霧熱解法合成SiO_x或TiO_x非晶球體、或利用無乳化法合成PS、PMMA、或三聚氰胺樹脂(Melamine)高分子球體。

本發明之光致發光材料，較佳係使用奈米等級之螢光粉體，以利於形成光致發光材料前即調整螢光粉體溶液中之各種螢光粉體比例，而可確保本發明之光致發光材料具有預定之色溫及演色性。此外，本發明之光致發光材料更使用CdSe/ZnS量子點，因其可吸收UV光而發出正白光，可加強光致發光材料之白光色溫及演色性，並且可應用於紫外光發光二極體中。同時，藉由混合多種可發出不同顏色激發光之發光二極體，可使本發明之光致發光材料之混光光譜更加連續，而得以應用於日常照明設備中。

10‧‧‧核心載體

11‧‧‧螢光粉混合物

圖1係本發明較佳實施態樣之光致發光材料之示意圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本揭露之其他優點與功效。本揭露亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可針對不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。

本發明所提供之光致發光材料，如圖1所示。圖1係本發明較佳實施態樣之光致發光材料之示意圖，其中，此光致發光材料係包括：一核心載體10；以及一螢光粉混合物11，係包含於核心載體10之內部，且螢光粉混合物係包含至少兩種螢光粉體。

本發明之奈米螢光粉體可採用一般水熱法、溶膠凝膠法、共沉澱法所製成；而核心載體則可利用一般之溶膠凝膠法合成SiO_x或TiO_x非晶球體、利用噴霧熱解法合成SiO_x或TiO_x非晶球體、或利用無乳化法合成PS、PMMA、或三聚氰胺樹脂(Melamine)高分子球體。

本發明之光致發光材料所使用之螢光粉體可為一般習知之各種顏色螢光粉。接下來將舉例幾種奈米螢光粉體之製作方法。然而，本發明之奈米螢光粉體之製作方法並不限於下列實施例，且本發明之光致發光材料所使用之螢光粉體可為一般常用於發光二極體之螢光粉體，較佳為奈米尺寸之螢光粉體。

合成YAG：Ce ³⁺ 奈米螢光粉體

將2.5014g之醋酸釔(Yttrium acetate tetrahydrate)、0.0251g之乙酸鈰(Cerium acetate hydrate)、2.553g之異丙醇鋁(Aluminium isopropoxide)、以及63.6ml之1,4-丁二醇(1,4-butanediol)，置入120ml之高壓釜中，於攪拌下緩慢加熱溶液至300℃，並維持此溫度2小時。而後，將此溶液(YAG：Ce³⁺之1,4-丁二醇溶液)冷卻至室溫，並靜置一週以沉澱結塊。

將5ml之YAG：Ce³⁺/1,4-丁二醇溶液加至純水中，並加入150μl之3-氨丙基三甲氧基矽烷(3-Aminopropyltri-methoxysilane,APTMS)攪拌2小時，再離心移除APTMS，而製得YAG：Ce³⁺水溶液。接著，將5μl之YAG：Ce³⁺水溶液及50μl之PS溶液加至純水中，於40~50℃下攪拌3~5小時。經離心、過濾、烘乾後，可製得YAG：Ce³⁺奈米螢光粉體，其粒徑約為10~15nm。

合成Y ₂ O ₃ ：Er ³⁺ ,Yb ³⁺ 奈米螢光粉體

分別將Y₂O₃、Er₂O₃、及Yb₂O₃配製成1M硝酸鹽溶液。而後，將2.45ml之Y(NO₃)₃溶液、0.025ml之Er(NO₃)₃溶液、及0.025ml之Yb(NO₃)₃溶液混合，並加入2.05g之CH₃COONa及43.75ml乙二醇(ethylene glycol)，攪拌3小時。接著，將上述混合溶液置於60ml之高壓釜中加熱至180℃，並維持此溫度24小時。冷卻至室溫後，數次離心此混合溶液，再烘乾之。而後，利用烘箱(Muffle furnace)加熱至900℃，並維持4小時，可製得Y₂O₃：Er³⁺,Yb³⁺奈米螢光粉體，其粒徑約為10~15nm。

合成Y ₂ O ₃ ：Eu ³⁺ 奈米螢光粉體

將200ml之YCl₃水溶液(0.0184M)、及200ml之EuCl₃水溶液(0.0016M)混合攪拌10分鐘，再加入0.15莫爾之尿素(urea)。而後，上述混合物加熱至87℃，並維持此溫度1小時。接著，離心過濾此混合物後，加熱至85℃，並維持此溫度12小時。最後，從750℃升溫至1050℃ 4小時，以將此混合物燒結成塊，而可製得Y₂O₃：Eu³⁺奈米螢光粉體，其粒徑約為10~15nm。

實施例1

首先，配製混合有Y₂O₃：La³⁺、YAG：La³⁺、以及CdSe/ZnS量子點之螢光粉體混合水溶液，其中，Y₂O₃：La³⁺經藍光發光二極體照射後可發出黃光、YAG：La³⁺經藍光發光二極體照射後可發出黃光、而CdSe/ZnS量子點可吸收UV光以發出正白光。經積分球檢測後，調整各個螢光粉體之比例，可得具有預定色溫及演色性之螢光粉體混合溶液。於本實施例中，所得之螢光粉體混合溶液經藍光發光二極體照射後，係發出白光(色溫=5500K)。

接著，將氨水(NH₄OH)、乙醇、及水混合，並攪拌5分鐘。而後，加入TEOS做為起始劑，並於恆溫下攪拌4小時。於SiO₂核心載體即將凝聚成型時，將上述配置之螢光粉體混合水溶液加至反應溶液中，而可合成包含有螢光 粉混合物之SiO₂核心載體。接著，將合成之包含有螢光粉混合物之SiO₂核心載體離心數次，而得到一沉澱物。經乾燥、及鍛燒後，可製得包含有螢光粉混合物之SiO₂核心載體，其粒徑約500nm。

因此，本實施例之光致發光材料係包含：一核心載體；以及一包含於核心載體內部之螢光粉混合物。其中，螢光粉混合物係包含可發出黃光之Y₂O₃：La³⁺螢光粉體、可發出黃光之YAG：La³⁺螢光粉體、以及可發出正白光之CdSe/ZnS量子點。藉由適當調整各種螢光粉體之比例，本實施例之光致發光材料經藍光發光二極體照射後，可於光致發光材料表面進行混光，而發出色溫為5500K之白光。

實施例2

首先，配製Y₂O₃：Eu³⁺、Y₂O₃：Yb³⁺、Y₂O₃：Ce³⁺、以及YAG：Ce³⁺之螢光粉體混合水溶液，其中，Y₂O₃：Eu³⁺經藍光發光二極體照射後可發出紅光、Y₂O₃：Yb³⁺可發出綠光、Y₂O₃：Ce³⁺可發出藍光、而YAG：Ce³⁺可發出黃光。經積分球檢測後，調整各個螢光粉體之比例，可得具有預定色溫及演色性之螢光粉體混合溶液。於本實施例中，所得之螢光粉體混合溶液經藍光發光二極體照射後，可發出白光(色溫=5500K)。

接著，接著，將氨水(NH₄OH)、乙醇、及水混合，並攪拌5分鐘。而後，加入TEOS做為起始劑，並於恆溫下攪拌4小時。於SiO₂核心載體即將凝聚成型時，將上述配置之螢光粉體混合水溶液加至反應溶液中，而可合成包含有螢光粉混合物之SiO₂核心載體。接著，將合成之包含有螢光粉混合物之SiO₂核心載體離心數次，而得到一沉澱物。經乾燥、及鍛燒後，可製得包含有螢光粉混合物之SiO₂核心載體，其粒徑約300nm。

因此，本實施例之光致發光材料係包含：一核心載體；以及一包含於核心載體內部之螢光粉混合物。其中，螢光粉混合物係包含可發出紅光之 Y₂O₃：Eu³⁺螢光粉體、可發出綠光之Y₂O₃：Yb³⁺螢光粉體、可發出藍光之Y₂O₃：Ce³⁺螢光粉體、以及可發出黃光之YAG：Ce³⁺螢光粉體。藉由適當調整各種螢光粉體之比例，本實施例之光致發光材料經藍光發光二極體照射後，可於光致發光材料表面進行混光，而發出白光。

綜上所述，本發明藉由將混合之螢光粉體包覆在核心載體內部，以製得具有均一粒徑且規則外型之光致發光材料。藉由核心載體之規則球狀而具有極佳的全反射效果，以提升螢光粉體之出光均勻性。同時，更藉由事先調整螢光粉體之比例，配製可發出預定色溫及演色性之螢光粉體混合溶液，故若將本發明之光致發光材料應用在發光二極體上，可提升發光二極體之產品良率。此外，本發明之光致發光材料內部混合之螢光粉體，經光源激發後，係於光致發光材料內部進行混光，而後於核心載體表面激發出來。因此，相較於螢光粉體混合膠體，本發明之光致發光材料激發後所發出的混合光更加均勻。再者，本發明之光致發光材料更藉由混合多種具不同放射波長之螢光粉體，而可得到較連續之混合光譜，以發出更加接近自然光。如此，若將本發明之光致發光材料應用於具高發光效率之發光二極體，則可取代傳統之照明設備，而達到結能之目的。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本揭露所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

Claims (13)

1. 一種光致發光材料，包括：一核心載體；以及一螢光粉混合物，係包含於該核心載體之內部，且該螢光粉混合物係包含至少兩種螢光粉體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光致發光材料，其中該螢光粉混合物更包含一電子侷限材料。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光致發光材料，其中該電子侷限材料係為一量子點。
4. 如申請專利範圍第2項所述之光致發光材料，其中該電子侷限材料係為CdSe：ZnS。
5. 如申請專利範圍第2項所述之光致發光材料，其中該電子侷限材料之粒徑係介於10nm至100nm之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光致發光材料，其中該核心載體為球型。
7. 如申請專利範圍第2項所述之光致發光材料，其中其中該至少兩種螢光粉體係各自為具有不同放光波長之螢光粉。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光致發光材料，其中該螢光粉體之材料係選自由ZnO、ZrO₂、PbO、Y₂O₃、Y₂O₂、Zn₂SiO₄、Y₃Al₅O₁₂、Y₃(AlGa)₅O₁₂Y₂SiO₅、LaOCl、InBO₃、ZnGa₂O₄、ZnS、PbS、CdS、CaS、SrS、Zn_xCd_1-xS、Y₂O₂S、Gd₂O₂S、AlN所組成之群組之化合物，且X係介於0.1至0.9之間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光致發光材料，其中該化合物係摻雜至少一選自由Cu、Ag、Eu、Yb、La、Cl、Tb、Al、Ce、Er、Zn、Mn、Pr、Pm、Sm、及Ho所組成之群組之元素。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光致發光材料，其中該核心載體之材料係SiO_x、TiO_x、PS、PMMA、或三聚氰胺樹脂，X之範圍係介於0.5~2之間。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光致發光材料，其中該核心載體之粒徑係介於350nm至5μm之間。
12. 如申請專利範圍第1項所述之光致發光材料，其中該等螢光粉體之粒徑係介於10nm至3μm之間。
13. 如申請專利範圍第1項所述之光致發光材料，其中該等螢光粉體之粒徑係介於10nm至100nm之間。