TWI832803B

TWI832803B - 低熔點玻璃組成

Info

Publication number: TWI832803B
Application number: TW112144838A
Authority: TW
Inventors: 盧俊元; 林濬騰; 楊明叡
Original assignee: 白金科技股份有限公司
Priority date: 2023-11-20
Filing date: 2023-11-20
Publication date: 2024-02-11

Abstract

本發明提供一種低熔點玻璃組成，用以與一螢光粉燒結。低熔點玻璃組成包括5重量%至15重量%之二氧化矽、6重量%至26重量%之三氧化二硼、12重量%至25重量%之氧化鋅、1重量%至15重量%之五氧化二鈮、及7重量%至72重量%之三氧化二鉍。其中，低熔點玻璃組成的玻璃轉化溫度介於420°C至500°C之間。

Description

低熔點玻璃組成

本發明關於一種玻璃的組成，特別關於一種低熔點玻璃的組成。

一般來說，具有發光二極體(light emitting diode，簡稱為LED)的發光裝置是以螢光粉與高分子矽膠混合而成的材料來進行封裝。矽膠材料經過高溫長時間的使用下，容易產生劣化及黃化，進而降低發光裝置的發光效率。因此，市面上出現了以玻璃材料取代矽膠的方式，以避免前述劣化及黃化的狀況。

目前是將玻璃材料與螢光粉共同燒結以製成螢光玻璃。然而，玻璃材料與螢光粉必須在高溫(例如750℃)下且經過長時間燒結，才能製成螢光玻璃。針對一些特殊色溫或特殊成分的螢光粉，例如紅色螢光粉對於溫度的耐受性通常只有600℃。若超過燒結溫度超過600℃，會使得特殊色溫或特殊成分的螢光粉的結構劣化，進而造成螢光玻璃產生異色或黑化的情形。

另外，若使用一般的低熔點玻璃材料，也會因其內部結構而在高溫高濕環境中容易失效的缺點。另外，一般的低熔點玻璃材料的熱膨脹係數(Coefficient of thermal expansion，簡稱CTE)較高，且容易與螢光粉反應而破壞螢光粉的結構，進而導致螢光玻璃劣化或變色。

因此，亟需找出一種新穎的低熔點玻璃材料，其可以與特殊色溫及特殊成分螢光粉共同燒結，且不會破壞螢光粉的結構。

有鑑於上述課，本發明之主要目的是在提供一種低熔點玻璃組成，用以與一螢光粉燒結，藉由低熔點玻璃組成的特定成分，使低熔點玻璃組成的玻璃轉化溫度可介於420℃至500℃之間，以解決習知與螢光粉燒結的玻璃材料必須以高溫熔製，進而破壞螢光粉的結構的問題。

為達成上述之目的，本發明提供一種低熔點玻璃組成，用以與一螢光粉燒結。低熔點玻璃組成包括5重量%至15重量%之二氧化矽(SiO₂)、6重量%至26重量%之三氧化二硼(B₂O₃)、12重量%至25重量%之氧化鋅(ZnO)、1重量%至15重量%之五氧化二鈮(Nb₂O₅)、及7重量%至72重量%之三氧化二鉍(Bi₂O₃)。其中，低熔點玻璃組成的玻璃轉化溫度(Tg)介於420℃至500℃之間。

根據本發明之一實施例，低熔點玻璃組成更包括0.1重量%至28重量%之氧化鋇(BaO)。

根據本發明之一實施例，低熔點玻璃組成應用在於一低溫溫度與一螢光粉燒結。

根據本發明之一實施例，低溫溫度介於500℃至600℃之間。

根據本發明之一實施例，螢光粉包括一紅色螢光粉。

根據本發明之一實施例，低熔點玻璃組成與紅色螢光粉燒結後形成一螢光玻璃，螢光玻璃的光輸出通量大於100流明。

根據本發明之一實施例，低熔點玻璃組成不包含一鹼金屬氧化物。

根據本發明之一實施例，鹼金屬氧化物包括氧化鋰(Li₂O)、及氧化鈉(Na₂O)。

根據本發明之一實施例，低熔點玻璃組成不包含鉛(Pb)成分、及碲(Te)成分。

承上所述，依據本發明之低熔點玻璃組成，其包括5重量%至15重量%之二氧化矽、6重量%至26重量%之三氧化二硼、12重量%至25重量%之氧化鋅、1重量%至15重量%之五氧化二鈮、及7重量%至72重量%之三氧化二鉍。藉由前述成分與比例，使低熔點玻璃組成的玻璃轉化溫度可介於420℃至500℃之間，進而可在一低溫溫度與螢光粉燒結。因此，即便是對於高溫的耐受性較低的紅色螢光粉，於燒結時也不會破壞其結構，進而可避免螢光玻璃產生異色或黑化的情形，並可維持螢光粉的發光效益。

為能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。

首先，本實施例之低熔點玻璃組成可與一螢光粉燒結，以共同形成一螢光玻璃。換言之，本實施例之低熔點玻璃組成是用以製造螢光玻璃的原料。其中，低熔點玻璃組成包括二氧化矽(SiO₂)、三氧化二硼(B₂O₃)、氧化鋅(ZnO)、五氧化二鈮(Nb₂O₅)、及三氧化二鉍(Bi₂O₃)。其中，二氧化矽為玻璃網狀結構的主要成分。二氧化矽具有增加玻璃結構穩定性、降低熱膨脹係數、抗熱衝擊(thermal shock)、提高化學穩定性及機械強度等效果。然而，低熔點玻璃組成中的二氧化矽含量過高，則容易提高熔融溫度(melting temperature，簡稱為Tm)及黏度，進而不利於熔融過程的均質及後續螢光玻璃的加工。為了避免前述高熔融溫度及黏度過高的情形，本實施例之二氧化矽的含量介於5重量%(Wt%)至15重量%之間。

在本實施例中，三氧化二硼可與二氧化矽共同形成玻璃的網狀結構。另外，三氧化二硼亦可作為硼矽酸鹽玻璃的助熔劑，用以降低熔融溫度及黏度。熔融溫度的降低便可在低溫溫度(於後進一步說明)與螢光粉燒結。然而，三氧化二硼的含量過高會降低螢光玻璃的耐候性(weather resistance)。為避免前述耐候性降低的情形，本實施例之三氧化二硼的含量介於6重量%至26重量%之間。

在本實施例中，三氧化二鉍也可作為玻璃網狀結構的主要成分。因此，本實施例之低熔點玻璃組成是以二氧化矽、三氧化二硼及三氧化二鉍為主要成分。其中，三氧化二鉍可降低熔融溫度及玻璃轉化溫度(glass transition temperature，簡稱為Tg)。然而，若三氧化二鉍的含量太少無法有效地降低熔融溫度及玻璃轉化溫度。反之，若三氧化二鉍的含量太多，則容易結晶且容易與螢光粉反應，進而使所製成的螢光玻璃產生異色或變黑，且會影響到螢光玻璃的透射率。為避免前述情形，本實施例之三氧化二鉍的含量介於7重量%至72重量%之間。

在本實施例中，氧化鋅作為網狀修飾修飾劑(network modifier)。氧化鋅相較於鹼金屬氧化物及鹼土金屬氧化物，可增加玻璃穩定性及提高耐候性。其中，鹼金屬包含鋰、鈉、鉀、銣、銫、鍅，鹼土金屬則包括鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鐳。然而，氧化鋅的含量過多，也會提高熔融溫度，且容易造成螢光玻璃結晶。為避免前述情形，本實施例之氧化鋅的含量介於12重量%至25重量%之間。

在本實施例中，五氧化二鈮同樣可作為網狀修飾修飾劑。與氧化鋅的作用相似，五氧化二鈮相較於鹼金屬氧化物及鹼土金屬氧化物，可增加玻璃穩定性及提高耐候性，且又不會明顯增加熔融溫度及玻璃轉化溫度，並能降低熱膨脹係數(Coefficient of thermal expansion，簡稱CTE)。因此，五氧化二鈮優於氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鋯(ZrO₂)、二氧化鈦(TiO₂)等可提高耐候性但會增加熔融溫度及玻璃轉化溫度的高熔點物質。因此，本實施例之低熔點玻璃組成不包含氧化鋁、二氧化鋯、及二氧化鈦。而五氧化二鈮的含量亦有其限制，當五氧化二鈮的含量過高時，容易造成玻璃結晶。為避免結晶情形，本實施例之五氧化二鈮的含量介於1重量%至15重量%之間。

另外，由於本實施例之低熔點玻璃組成中的氧化鋅及五氧化二鈮皆可作為網狀修飾修飾劑，較佳的，低熔點玻璃組成不包含鹼金屬氧化物。其中，鹼金屬氧化物可例如但不限於氧化鋰(Li₂O)、及氧化鈉(Na₂O)。另外，鹼金屬亦容易在燒結時與螢光粉反應，進而造成異色或黑化的情形。因此，本實施例之低熔點玻璃組成不包含鹼金屬氧化物亦可避免所製成的螢光玻璃產生異色或黑化的情形。

較佳的，本實施例之低熔點玻璃組成還可包括氧化鋇(BaO)。在本實施例中，氧化鋇同樣可作為網狀修飾修飾劑。與氧化鋅的作用相似，可增加玻璃穩定性及提高耐候性。然而，氧化鋇的含量過多時會提高玻璃的熔點及熱膨脹係數，且亦容易造成結晶。為避免前述情形，本實施例之氧化鋇含量可介於0.1重量%至28重量%之間。

上述低熔點玻璃組成的成分與比例整理於表一。

簡言之，本實施例之低熔點玻璃組成包括5重量%至15重量%之二氧化矽(SiO₂)、6重量%至26重量%之三氧化二硼(B₂O₃)、12重量%至25重量%之氧化鋅(ZnO)、1重量%至15重量%之五氧化二鈮(Nb₂O₅)、及7重量%至72重量%之三氧化二鉍(Bi₂O₃)。較佳的，低熔點玻璃組成還可包括0.1重量%至28重量%之氧化鋇(BaO)。

藉由前述低熔點玻璃組成的成分與比例，使低熔點玻璃組成的玻璃轉化溫度(Tg)可介於420℃至500℃之間，進而可在一低溫溫度與螢光粉燒結。換言之，本實施例之低熔點玻璃組成可在於低溫溫度與螢光粉燒結。其中，低溫溫度可以是小於等於600℃的燒結溫度。在本實施例中，低溫溫度較佳可介於500℃至600℃之間。須說明的是，本實施例之低熔點玻璃組成可與任何類型的螢光粉進行燒結。例如，YAG黃色螢光粉、矽鋁氮氧(SiAlON)橘黃色螢光粉、LuAG綠色螢光粉及紅色螢光粉(red phosphor)等。其中，YAG黃色螢光粉、矽鋁氮氧(SiAlON)橘黃色螢光粉、及LuAG綠色螢光粉較穩定，對於高溫的耐受性較高，例如可耐受熱至800℃，其結構也不會被破壞。紅色螢光粉例如為紅磷酸鹽螢光粉，其對於溫度的耐受性通常只有600℃，但與本實施例之低熔點玻璃組成可於500℃至600℃之間的溫度共同燒結，進而可避免紅色螢光粉的結構被破壞，也可避免螢光玻璃產生異色或黑化的情形，以提升螢光玻璃的良率。因此，本實施例之低熔點玻璃組成可與任何類型的螢光粉，且不會破壞特殊色溫或特殊成分的螢光粉(例如紅色螢光粉)的結構。

較佳的，本實施例之低熔點玻璃組成不包含對環境影響的鉛(Pb)成分、及碲(Te)成分。具體而言，一氧化鉛(PbO)及二氧化碲(TeO₂)經常被應用在作為低熔點玻璃的主要成分。然而，鉛及碲為對環境有毒的成分。本實施例之低熔點玻璃組成以如表一所示的成分比例，使玻璃轉化溫度可介於420℃至500℃之間，以避免使用鉛成分、及碲成分。

實驗例1：螢光玻璃的製備。

首先，表二是在前述低熔點玻璃組成的比例範圍內，提出七種不同原料比例之低熔點玻璃組成的列表。表三則是四種不同於前述低熔點玻璃組成的比例範圍之玻璃組成的列表。

依據表二及表三所記載的比例，分別將原料混合均勻後，置入坩堝中。接著，將坩堝置於通有一般空氣或氮氣的氣氛爐中。同樣依據表二及表三所列的熔融溫度(Tm)進行30分鐘至60分鐘的熱處理，以熔融獲得均質化玻璃。再將熔融的均質化玻璃注入水中進行冷淬，以取得玻璃碎砂。

接著，將玻璃碎砂研磨成粒徑小於100μm(微米)的玻璃粉後，再將玻璃粉與螢光粉混合。其中，玻璃粉的含量可以介於60重量%至80重量%，而螢光粉的含量介於20重量%至40重量%。例如，可使用70重量%的玻璃粉與30%的螢光粉。將玻璃粉與螢光粉的混合物形成錠狀後，依據表二及表三所列的共燒溫度進行30分鐘至60分鐘的燒結，以製成螢光玻璃。須說明的是，實驗例1所製成的螢光玻璃為研磨前的玻璃。應用在發光二極體的發光裝置前，可進行研磨程序，於實驗例2中進一步說明。

另外，表二及表三亦記載的各(低熔點)玻璃組成及其製成之螢光玻璃的特性。例如，熔融溫度(Tm)、玻璃轉化溫度(Tg)、熱膨脹係數(CTE)、共燒溫度及螢光玻璃是否有變色(即表二及表三的最後一列)。實驗例1中所使用的螢光粉為紅色螢光粉(即紅磷酸鹽螢光粉)，其對高溫的耐受性較低，通常只有600℃。因此，當共燒溫度超過600℃時，紅色螢光粉的結構就可能被破壞，使得螢光玻璃有異色或黑化等變色的情形。

參照表二可知，編號1-1至編號1-7之低熔點玻璃組成的玻璃轉化溫度(Tg)皆介於420℃至500℃之間，且共燒溫度介於500℃至600℃之間。因此，以編號1-1至編號1-7之低熔點玻璃組成所製成的螢光玻璃，亦無異色或黑化等變色的情形。簡言之，本揭示所界定之原料比例範圍內的低熔點玻璃組成的玻璃轉化溫度(Tg)介於420℃至500℃之間，且低熔點玻璃組成可應用在於低溫溫度(500℃至600℃之間)與螢光粉燒結。

另外，編號2-1及編號2-2的玻璃組成中的二氧化矽(SiO₂)、三氧化二硼(B₂O₃)、氧化鋅(ZnO)、五氧化二鈮(Nb₂O₅)、及三氧化二鉍(Bi₂O₃)及氧化鋇(BaO)皆在前述實施例所界定的範圍內。編號2-1及編號2-2的玻璃轉化溫度(Tg)皆介於420℃至500℃之間，且共燒溫度為600℃，亦屬於低熔點玻璃組成。惟，編號2-1及編號2-2的玻璃組成添加了容易與螢光粉反應的鹼金屬，即氧化鋰(Li₂O)及氧化鈉(Na₂O)，使得編號2-1及編號2-2之低熔點玻璃組成所製成的螢光玻璃具有異色或黑化等變色情形。

編號2-3及編號2-4的玻璃組成中的二氧化矽(SiO₂)、即與前述實施例所界定的範圍(即5重量%至15重量%)不同，進而使其他部分原料的比例不在前述實施例界定的範圍內。其中，編號2-3及編號2-4的玻璃組成並未添加五氧化二鈮(Nb₂O₅)及三氧化二鉍(Bi₂O₃)，而以習知常見可提高耐候性的二氧化鈦(TiO₂)及氧化鋁(Al₂O₃)替代之。由表三可知，編號2-3及編號2-4的玻璃轉化溫度(Tg)皆超過500℃，且共燒溫度超過600℃，進而無法應用在於低溫溫度與螢光粉燒結。如前述，共燒溫度太高(例如超過600℃)會使得紅色螢光粉的結構被破壞，而以編號2-3及編號2-4之玻璃組成所製成的螢光玻璃確實具有異色或黑化等變色情形。

由實驗例1可知，本揭示所界定的低熔點玻璃組成的各原料及其比例具有實質意義。

實驗例2：量測螢光玻璃的光學特性。

以實驗例1中的編號1-2、編號1-5、編號1-7的低熔點玻璃組成，及編號2-3、編號2-4的低熔點玻璃組成，分別與三種不同的螢光粉且按照實驗例1所記載的方法製成螢光玻璃。其中，三種不同的螢光粉分別為YAG黃色螢光粉、矽鋁氮氧(SiAlON)橘黃色螢光粉、及紅色螢光粉(red phosphor)。

將製成的螢光玻璃切割並研磨至厚度介於50μm至200μm之間，且表面粗糙度為介於30nm(奈米)至300nm。接著，再切割成長寬皆為2mm(毫米)的尺寸後，將其貼至藍光晶片。其中，藍光晶片可發出波長介於445nm至455nm的光線。以操作電流為700mA(毫安培)進行光學性質測量。例如，本實驗例是測量藍光晶片的光輸出通量，其單位為流明(Im)，如表四所示。

關於使用YAG黃色螢光粉或α-SiAlON橘黃色螢光粉的螢光玻璃，由於YAG黃色螢光粉及α-SiAlON橘黃色螢光粉對於高溫的耐受性較高，與編號1-2、編號1-5、編號1-7的光輸出通量相比，編號2-3的光輸出通量並無太大差異，而編號2-4略為下降。關於使用紅色螢光粉之螢光玻璃，編號2-3及編號2-4的光輸出通量相較於編號1-2、編號1-5、編號1-7皆明顯降低，表示編號1-2、編號1-5、編號1-7使用的玻璃與紅色螢光粉燒結後，紅色螢光粉仍保持一定的發光效益，而編號2-3及編號2-4的螢光玻璃受到熱影響傷害較大造成發光效益下降。具體而言，以本揭示所界定之低熔點玻璃組成的成份比例與紅色螢光粉燒結而成螢光玻璃(例如編號1-2、編號1-5、編號1-7)，應用在藍光晶片時，其光輸出通量仍可大於100流明(Im)。光輸出通量仍保持在100流明(Im)以上，表示對紅色螢光粉的結構影響較小，故仍能保持其發光效益。以非本揭示所界定之玻璃組成的成份比例與紅色螢光粉燒結而成螢光玻璃(例如編號2-3及編號2-4)，應用在藍光晶片時，其光輸出通量下降至100流明(Im)以下。光輸出通量小於100流明(Im)表示對紅色螢光粉的結構傷害較大，使得其發光效益降低。

因此，由實驗例2同樣可知，本揭示所界定的低熔點玻璃組成的各原料及其比例具有實質意義。

綜上所述，依據本發明之低熔點玻璃組成，其包括5重量%至15重量%之二氧化矽、6重量%至26重量%之三氧化二硼、12重量%至25重量%之氧化鋅、1重量%至15重量%之五氧化二鈮、及7重量%至72重量%之三氧化二鉍。藉由前述成分與比例，使低熔點玻璃組成的玻璃轉化溫度可介於420℃至500℃之間，進而可在一低溫溫度與螢光粉燒結。因此，即便是對於高溫的耐受性較低的紅色螢光粉，於燒結時也不會破壞其結構，進而可避免螢光玻璃產生異色或黑化的情形，並可維持螢光粉的發光效益。

應注意的是，上述諸多實施例係為了便於說明而舉例，本發明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。

無。

Claims

一種低熔點玻璃組成，用以與一螢光粉燒結，該低熔點玻璃組成包括： 5重量%至15重量%之二氧化矽、 6重量%至26重量%之三氧化二硼、 12重量%至25重量%之氧化鋅、 1重量%至15重量%之五氧化二鈮、及 7重量%至72重量%之三氧化二鉍；其中，該低熔點玻璃組成的玻璃轉化溫度介於420°C至500°C之間。
如請求項1所述之低熔點玻璃組成，其中該低熔點玻璃組成更包括0.1重量%至28重量%之氧化鋇。
如請求項1所述之低熔點玻璃組成，其中該低熔點玻璃組成應用在於一低溫溫度與一螢光粉燒結。
如請求項2所述之低熔點玻璃組成，其中該低溫溫度介於500°C至600°C之間。
如請求項2所述之低熔點玻璃組成，其中該螢光粉包括一紅色螢光粉。
如請求項5所述之低熔點玻璃組成，其中該低熔點玻璃組成與該紅色螢光粉燒結後形成一螢光玻璃，該螢光玻璃的光輸出通量大於100流明。
如請求項1所述之低熔點玻璃組成，其中該低熔點玻璃組成不包含一鹼金屬氧化物。
如請求項1所述之低熔點玻璃組成，其中該鹼金屬氧化物包括氧化鋰、及氧化鈉。
如請求項1所述之低熔點玻璃組成，其中該低熔點玻璃組成不包含鉛成分、及碲成分。