TWM493550U - 含錳線性紅光螢光材料的光源裝置 - Google Patents

Description

含錳線性紅光螢光材料的光源裝置

本創作係有關於一種含錳線性紅光螢光材料的光源裝置，尤其是含錳線性紅光螢光材料包含四價錳離子並具有化學式A_x MF_6-y Z_y ：Mn⁴⁺ ，可接收紫外及藍光之激發光，而放射較長波長的紅光。

近年來，具有「節能」與「環保」雙重特性的著白光發光二極體(LED)，隨著發光效率不斷提昇，一般認為是取代熱熾燈與螢光燈的革命性光源，而螢光材料為製作單晶片白光LED不可或缺的光轉換材料，攸關發光效率、安定性、演色性、色溫、使用壽命等項特性，因此，螢光材料可謂單晶片白光LED系統中最重要的關鍵材料。

一般來說，都希望白光裝置能在特定色溫及演色性下具有較高的發光效率，然而，隨著色溫的降低或演色性的提高，發光效率通常會降低。此外，由於一般寬波段的紅粉(紅光螢光粉)所涵蓋的範圍較寬，使得在較長波段的區域中，人眼視效函數的敏感度已經降到非常低，導致發光效率降低，所以當紅光螢光粉改用線性發光的材料時，即可有效提升發光效率。

在習用技術中，線性紅光螢光粉常用Eu³⁺ 摻雜之材料，比如Y₂ O₃ ：Eu³⁺ ，不過Eu³⁺ 摻雜之材料在激發光譜通常為線光譜，而且對於目前主流的440~460nm波段的激發效率並不佳。此外，另外一系列的Mn⁴⁺ 摻雜氟氧化物之螢光粉3.5MgO．0.5MgF₂ ．GeO₂ ：Mn⁴⁺ ，其放光波長是大於650nm，且Mn⁴⁺ 摻雜至氧化物或鹵氧化物的主體通常會使發光波段落於650nm以上，使得發光效率的提升效果會因波段太長而無進一步加強。

因此，需要一種含錳線性紅光螢光材料的光源裝置，利用純鹵化物螢光材料具有合成溫度低的特性及高化學穩定性以形成含錳線性紅 光螢光材料，當作螢光材料之主體，提供藍光或紫外激發白光LED的螢光粉，並黃光、綠光螢光材料，產生具有高光品質的光源，藉以解決上述習用技術的問題。

本創作之主要目的在於提供一種含錳線性紅光螢光材料的光源裝置，用以發射白光，提供照明或顯示裝置的光源，且光源裝置主要包括激發光源、含錳線性紅光螢光材料、黃光螢光材料、綠光螢光材料、電氣連接線及封裝體。激發光源可發射具370nm至500nm之波長的光激發，且含錳線性紅光螢光材料、黃光螢光材料以及綠光螢光材料是均勻混合而塗佈於封裝體，可接收激發光並分別放射紅光，黃光及綠光，尤其是紅光、黃光及綠光可經混光而形成所需的白光。

上述的電氣連接線連接激發光源及外部電源，可將外部電源的電力輸入至激發光源，使得激發光源產生所需的激發光。較佳的，激發光源主要是由發光二極體(light emitting diode、LED)、雷射二極體(laser diode、LD)、有機發光二極體(organic light emitting diode、OLED)、冷陰極燈管(cold cathode fluorescent lamp、CCFL)或外部電極螢光燈管(external electrode fluorescent lamp、EEFL)而實現。

封裝體包覆激發光源及電氣連接線，提供隔絕保護作用，可利用高透光率且電氣絕緣的樹脂或玻璃而實現。

具體而言，含錳線性紅光螢光材料主要是由第一元素A、第二元素M、氟元素、鹵素元素Z以及四價錳離子所構成，並具有化學式A_x MF_6-y Z_y ：Mn⁴⁺ ，其中第一元素A可包含鋰、鈉、鉀、銣、銫、鎂、鈣、鍶、鋇以及鋅的至少其中之一，第二元素M可包含矽、鍺、錫、鈦、鋯、鋁、鎵、銦、鈧、釔、鑭、鈮、鉭、鉍以及釓的至少其中之一，F為氟，鹵素元素Z包含氯、溴以及碘的至少其中之一，而且0<x≦2，0<y≦6。較佳的，含錳線性紅光螢光材料是以顆粒狀或粉體狀的螢光體形式而實現。

此外，黃光螢光材料包括含三價鈰的釔鋁氧化物以及含二價銪的鋇鍶鈣氧化物，且三價鈰的釔鋁氧化物的化學式為Y₃ Al₅ O₁₂ ：Ce³⁺ ，而含二價銪的鋇鍶氧化物的化學式為(Ba_1-x-y Sr_x Ca_y )₂ SiO₄ ：Eu²⁺ 。綠光螢光材料包括含 三價鈰的鑥鋁氧化物、β-矽鋁氮氧化物以及含二價銪的鋇鍶鈣矽氮氧化物，且含三價鈰的鑥鋁氧化物的化學式為Lu₃ Al₅ O₁₂ ：Ce³⁺ ，β-矽鋁氮氧化物的化學式為β-SiAlON，而含二價銪的鋇鍶鈣矽氮氧化物的化學式為(Ba_1-x-y Sr_x Ca_y )Si₂ O₂ N₂ ：Eu²⁺ 。

再者，本創作進一步包括披覆層，是配置於含錳線性紅光螢光材料的螢光體的表面上，且披覆層可包含氧化矽(SiO₂ ,)、氧化鈦(TiO₂ ,)、氧化鋁(Al₂ O₃ ,)、氧化鋅(ZnO,)、氧化鋯(ZrO₂ ,)及氧化釔(Y₂ O₃ )的至少其中之一。

由於本創作光源裝置的含錳線性紅光螢光材料的很適合目前普遍使用之440~460nm藍光激發，並且放射光譜為線性的紅光，具有介於580nm至800nm之間主放射波峰，因此，可改善並加強整體操作效率，同時，可搭配黃光、綠光螢光材料所產生的黃光、綠光，經混光後產生具適當光譜特性的光源，如白光，可當作照明或顯示領域中所需的原始光源。

10‧‧‧激發光源

20‧‧‧含錳線性紅光螢光材料

20A‧‧‧披覆層

22‧‧‧黃光螢光材料

24‧‧‧綠光螢光材料

A‧‧‧局部放大區

B‧‧‧封裝體

CN‧‧‧電氣連接線

L1‧‧‧激發光

L3‧‧‧白光

PLE‧‧‧激發光譜

PL‧‧‧放射光譜

PS‧‧‧外部電源

第一圖為依據本創作實施例含錳線性紅光螢光材料的光源裝置的示意圖。

第二圖為實例4的K₂ SiF₃ Cl₃ ：Mn⁴⁺ 激發及放射光譜。

第三圖為實例1~5及比較例中不同Cl含量之K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的螢光強度比較。

第四圖為實例1~5及比較例中不同Cl含量之K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的螢光放射光譜。

第五圖為實例9的Na₂ SiF₃ Cl₃ ：Mn⁴⁺ 的激發放射光譜。

第六圖為實例6~10及比較例中不同Cl含量之Na₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的螢光強度比較。

第七圖為實例11的K₂ TiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的激發及放射光譜。

以下配合圖示及元件符號對本創作之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

請參閱第一圖，本創作實施例含錳線性紅光螢光材料的光源裝置的示意圖。如第一圖所示，本創作含錳線性紅光螢光材料的光源裝置 主要是包括激發光源10、含錳線性紅光螢光材料20、黃光螢光材料22、綠光螢光材料24、電氣連接線CN及封裝體B，其中激發光源10可發射波長為370nm至500nm的激發光L1，而含錳線性紅光螢光材料20、黃光螢光材料22、綠光螢光材料24係均勻混合而塗佈於封裝體B，如圖中的局部放大區A所示，可用以接收來自激發光源10的激發光L1，並分別由含錳線性紅光螢光材料20、黃光螢光材料22、綠光螢光材料24產生紅光、黃光、綠光，進而混光成白光L3而射出，提供照明或顯示裝置的光源。

要注意的是，第一圖中局部放大區A所示的含錳線性紅光螢光材料20、黃光螢光材料22、綠光螢光材料24並非依據實際大小而繪製，只是用以表示均勻混合以供參考的示意圖而已，亦即含錳線性紅光螢光材料20、黃光螢光材料22、綠光螢光材料24可分別具有不同的大小及形狀。

具體而言，激發光源10可包含發光二極體(light emitting diode、LED)、雷射二極體(laser diode、LD)、有機發光二極體(organic light emitting diode、OLED)、冷陰極燈管(cold cathode fluorescent lamp、CCFL)或外部電極螢光燈管(external electrode fluorescent lamp、EEFL)。此外，上述的電氣連接線CN連接激發光源10及外部電源PS，可將外部電源PS的電力輸入至激發光源10，使得激發光源10產生所需的激發光L1。封裝體B包覆激發光源10及電氣連接線CN，提供隔絕保護作用，較佳的可利用高透光率且電氣絕緣的樹脂或玻璃而實現。

進一步而言，含錳線性紅光螢光材料20主要是由第一元素A、第二元素M、氟元素、鹵素元素Z以及四價錳離子所構成，並具有化學式A_x MF_6-y Z_y ：Mn⁴⁺ ，其中第一元素A可包含鋰、鈉、鉀、銣、銫、鎂、鈣、鍶、鋇以及鋅的至少其中之一，第二元素M可包含矽、鍺、錫、鈦、鋯、鋁、鎵、銦、鈧、釔、鑭、鈮、鉭、鉍以及釓的至少其中之一，F為氟，鹵素元素Z包含氯、溴以及碘的至少其中之一，而且0<x≦2，0<y≦6。較佳的，含錳線性紅光螢光材料20是以顆粒狀或粉體狀的螢光體形式而實現。

較佳的，黃光螢光材料22包括含三價鈰的釔鋁氧化物以及含二價銪的鋇鍶氧化物，且該三價鈰的釔鋁氧化物的化學式為Y₃ Al₅ O₁₂ ：Ce³⁺ ，而該含二價銪的鋇鍶鈣氧化物的化學式為 (Ba_1-x-y Sr_x Ca_y )₂ SiO₄ ：Eu²⁺ 。綠光螢光材料24包括含三價鈰的鑥鋁氧化物、β-矽鋁氮氧化物以及含二價銪的鋇鍶鈣矽氮氧化物，且該含三價鈰的鑥鋁氧化物的化學式為Lu₃ Al₅ O₁₂ ：Ce³⁺ ，該β-矽鋁氮氧化物的化學式為β-SiAlON，而該含二價銪的鋇鍶鈣矽氮氧化物的化學式為(Ba_1-x-y Sr_x Ca_y )Si₂ O₂ N₂ ：Eu²⁺ 。

更具體而言，上述的含錳線性紅光螢光材料20可接收較短波長的激發光而放射較長波長的紅光，因而具有螢光作用，且所發射的紅光具有主放射波峰，並且主放射波峰的波長範圍是介於580nm至800nm之間。因此，含錳線性紅光螢光材料20很適合搭配適當的其他螢光材料，提供特定光譜特性的光源，比如白光，可當作照明或液晶顯示器的高品質光源。

此外，螢光體形式的含錳線性紅光螢光材料20還可包括披覆層20A，是配置於螢光體的表面上。具體而言，披覆層20可包含氧化矽(SiO₂ ,)、氧化鈦(TiO₂ ,)、氧化鋁(Al₂ O₃ ,)、氧化鋅(ZnO,)、氧化鋯(ZrO₂ ,)及氧化釔(Y₂ O₃ )的至少其中之一。

為進一步清楚說明本創作所展現的特點，下文將詳細解釋含錳線性紅光螢光材料在不同化學式A_x MF_6-y Z_y ：Mn⁴⁺ 中之特定實例1~11的具體實施手段及技術內容。要注意的是，實例1~11都只是方便說明而已，並非用以限定本創作的範圍，其中表1是實例1~5針對K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的發光強度比較表，表2是實例6~10針對Na₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的發光強度比較表，而實例11是針對K₂ TiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 。

如表1所示，列舉K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 中y=0.5、1、2、3、5的實例1~5，同時列出y=0時的比較例，以方便比較螢光體光激光譜(photoluminescence，PL)強度。

上述實例1~5中K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的合成方式，主要以化學劑量比例取用100ml~1L的HF及100ml~1L的HCl並混合均勻，接著加入5~10g的SiO₂ 粉末，再加入20~50g的KMnO₄ 溶液使顏色從透明變為深紫色，之後以10~60ml的H₂ O₂ 滴定出現淡黃色K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 粉末為止。

對K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 粉末進行各項必要分析及測試，其中附件一為K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 粉末的SEM影像，其顆粒大小約為20~40um，且為多角形粉末。另外，第三圖為實例4(y=3)K₂ SiF₃ Cl₃ ：Mn⁴⁺ 的激發及放射光譜，其中激發光譜PLE由雙峰所構成，波段介於300到500nm之間，符合目前普遍 使用之440~460nm藍光激發，而K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 放射光譜PL為線性的紅光，其放光位在600~700nm，且最高峰值位在630nm，因此是具有高飽和紅光的螢光材料。

依據表1，製備不同氯(Cl)含量的K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ ，其中y係分別為0、0.5、1、2及3，並進行必要之螢光分析及比較，其結果如第四圖及第五圖所示，其中第四圖顯示不同Cl含量之K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的螢光強度比較，比如以y=2的Cl取代後，強度為沒有Cl添加時之106%，而第五圖為實例1~5及比較例中不同Cl含量之K₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的螢光放射光譜，其結果顯示Cl的添加不會影響到放光特性，這一系列樣品的放光位置皆落在波長600~700nm的範圍內。

此外，表2列舉Na₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 中y=0.5、1、2、3、5的實例6~10，同時列出y=0時的比較例，以方便比較PL強度。實例6~10中Na₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的合成方式是依化學劑量比例取用100ml~1L的HF及100ml~1L的HCl並混合均勻，接著加入5~10g的SiO₂ 粉末，再加入20~50g的NaMnO₄ 溶液而使得顏色從透明變為深紫色，之後以10~60ml的H₂ O₂ 滴定出現淡黃色Na₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 粉末為止。

對所獲得的Na₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 粉末進行各項必要分析及測試，如第六圖及第七圖分別所示實例9的Na₂ SiF₃ Cl₃ ：Mn⁴⁺ 的激發放射光譜以及不同Cl含量之Na₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的螢光強度比較。在第六圖中，Na₂ SiF₃ Cl₃ ：Mn⁴⁺ 激發光譜由雙峰所構成波段介於300到500nm之間，很適合目前普遍使用之440~460nm藍光激發。尤其是，放射光譜為線性的紅光，其中放光是位在600~700nm，而最高峰值是位在628nm。依據表2，製備不同Cl含量的Na₂ SiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ ，其中y係分別為0、0.5、1、2及3，並進行必要之螢光分析及比較，而其結果如第七圖所示，其中以y=2的Cl取代後，強度為沒有Cl添加時之105%。

最後，針對實例11的K₂ TiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ ，其合成方式是以化學劑量比例取用100ml~1L的HF及100ml~1L的HCl並混合均勻，接著加入5~10g的TiO₂ 粉末，再加入20~50g的KMnO₄ 溶液，使得溶液從透明變為深紫色，之後以10~60ml的H₂ O₂ 滴定至出現淡黃色K₂ TiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 粉末為止。 其後，進行各項必要分析及測試，如第八圖所示，K₂ TiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 激發及放射光譜，尤其是K₂ TiF₃ Cl₃ ：Mn⁴⁺ 的激發光譜PLE是由雙峰所構成，其波段介於300到500nm之間。因此，很適合應用於目前普遍使用之440~460nm藍光激發，而且K₂ TiF_6-y Cl_y ：Mn⁴⁺ 的放射光譜PL為線性的紅光，其放光波長位在600~700nm之間，其中最高峰值位在632nm。

綜上所述，本創作的主要特點在於含錳線性紅光螢光材料很適合搭配黃光、綠光螢光材料，經混光後產生具適當光譜特性的光源，如白光，可當作照明或顯示領域中所需的原始光源。尤其是，含錳線性紅光螢光材料很適合目前普遍使用之440~460nm藍光激發，並且放射光譜為線性的紅光，具有介於580nm至800nm之間主放射波峰，可改善並加強整體操作效率。

由於本創作的技術內並未見於已公開的刊物、期刊、雜誌、媒體、展覽場，因而具有新穎性，且能突破目前的技術瓶頸而具體實施，確實具有進步性。此外，本創作能解決習用技術的問題，改善整體使用效率，而能達到具產業利用性的價值。

以上所述者僅為用以解釋本創作之較佳實施例，並非企圖據以對本創作做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之創作精神下所作有關本創作之任何修飾或變更，皆仍應包括在本創作意圖保護之範疇。

10‧‧‧激發光源

20‧‧‧含錳線性紅光螢光材料

20A‧‧‧披覆層

22‧‧‧黃光螢光材料

24‧‧‧綠光螢光材料

A‧‧‧局部放大區

B‧‧‧封裝體

CN‧‧‧電氣連接線

L1‧‧‧激發光

L3‧‧‧白光

PS‧‧‧外部電源

Claims (5)

1. 一種含錳線性紅光螢光材料的光源裝置，用發射白光，包括：一激發光源，用以發射具370nm至500nm之波長的激發光；一含錳線性紅光螢光材料，用以接收來自該激發光源的激發光，並放射紅光；一黃光螢光材料，用以接收該激發光，並放射黃光；一綠光螢光材料，用以接收該激發光，並放射綠光；一電氣連接線，用以連接該激發光源及一外部電源，將該外部電源的電力輸入該激發光源以產生該激發光；以及一封裝體，用以包覆該激發光源及該電氣連接線，以提供隔絕保護作用，其中該含錳線性紅光螢光材料、該黃光螢光材料及該綠光螢光材料係均勻混合而塗佈於該封裝體，且該白光係由該紅光、該黃光及該綠光經混光而形成。
2. 依據申請專利範圍第1項之光源裝置，其中該含錳線性紅光螢光材料包含一披覆層，係設置於該含錳線性紅光螢光材料的表面。
3. 依據申請專利範圍第1項之光源裝置，其中該激發光源包含發光二極體(light emitting diode、LED)、雷射二極體(laser diode、LD)、有機發光二極體(organic light emitting diode、OLED)、冷陰極燈管(cold cathode fluorescent lamp、CCFL)或外部電極螢光燈管(external electrode fluorescent lamp、EEFL)。
4. 依據申請專利範圍第1項之光源裝置，其中該黃光螢光材料包括含三價鈰的釔鋁氧化物以及含二價銪的鋇鍶氧化物，且該三價鈰的釔鋁氧化物的化學式為Y₃ Al₅ O₁₂ ：Ce³⁺ ，而該含二價銪的鋇鍶鈣氧化物的化學式為(Ba_1-x-y Sr_x Ca_y )₂ SiO₄ ：Eu²⁺ 。
5. 依據申請專利範圍第1項之光源裝置，其中該綠光螢光材料包括含三價鈰的鑥鋁氧化物、β-矽鋁氮氧化物以及含二價銪的鋇鍶鈣矽氮氧化物，且該含三價鈰的鑥鋁氧化物的化學式為Lu₃ Al₅ O₁₂ ：Ce³⁺ ，該β-矽鋁氮氧化物的化學式為β-SiAlON，而該含二價銪的鋇鍶鈣矽氮氧化物的化學式為(Ba_1-x-y Sr_x Ca_y )Si₂ O₂ N₂ ：Eu²⁺ 。