專利名稱：包括單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括輻射源和單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的照明系統(tǒng)，該單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包括能夠吸收由該輻射源發(fā)射的光的一部分的至少一種磷光體并發(fā)射波長與吸收光的波長不同的光。該輻射源優(yōu)選為發(fā)
光二極管.
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域中已知，借助包括磷光體的發(fā)光材料，通過轉(zhuǎn)換在電磁波譜的紫外到藍(lán)光范圍內(nèi)發(fā)光的發(fā)光二極管的顏色來提供可見光、白色或彩色光照明.
這種磷光體轉(zhuǎn)換的"白光"LED系統(tǒng)尤其基于雙色(BY)方法，即，混合黃色和藍(lán)色；這種情況下，輸出光的黃色次級(jí)分量可由黃色磷光體提供，且藍(lán)色分量可由磷光體提供或者由藍(lán)色LED的初級(jí)發(fā)光提供.
白光照明系統(tǒng)或者可以基于三色(RGB)方法，也就是混合三種顏色，即紅、綠和藍(lán)；這種情況下，紅色和綠色分量可由磷光體提供，且藍(lán)色分量可由藍(lán)光LED的初級(jí)發(fā)光提供。
由于發(fā)光二極管技術(shù)中的新發(fā)展已經(jīng)提供了在近紫外到藍(lán)光范圍發(fā)光的非常高效的發(fā)光二極管，目前各種各樣的彩色和白光磷光體轉(zhuǎn)換發(fā)光二極管已經(jīng)見諸市場，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈照明.
常規(guī)的熒光體轉(zhuǎn)換發(fā)光裝置通常利用如下設(shè)計(jì)其上具有藍(lán)光LED的半導(dǎo)體芯片被一層環(huán)氧樹脂覆蓋，該環(huán)氧樹脂包括一種或多種磷光體的磷光體顆粒(particle)粉末.
在更新的方法中，半導(dǎo)體芯片被一層通過電泳沉積技術(shù)(EPD)沉積的一種或多種磷光體顆粒覆蓋.這種技術(shù)提供了比樹脂結(jié)合磷光體層薄的磷光體層。這允許更好的色度控制和改善的亮度.
然而，包括磷光體顆粒粉末的現(xiàn)有技術(shù)照明系統(tǒng)的問題在于，由于其存在諸多缺陷而無法用于許多用途。
首先，難以沉積厚度均勾的磷光體顆粒層.磷光體顆粒趁于團(tuán)聚，且因此難以提供具有已知顆粒尺寸的顆粒的均勻磷光體層，由于顏色均勻性需要均勻的層厚度，顏色均勻性難以保證.
其次，常規(guī)的磷光體顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榱坠怏w層，該磷光體層將LED發(fā)射的大部分光背散射回光吸收性較強(qiáng)的芯片內(nèi)，導(dǎo)致較低的光提取效率.
WO2006/087660披露了 一種照明系統(tǒng)，其包括輻射源和單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包括能夠吸收由該輻射源發(fā)射的光的一部分的至少一種磷光體并發(fā)射波長與吸收光的波長不同的光；且其還包括一種或多種第二發(fā)光轉(zhuǎn)換器元件，其中該笫二發(fā)光轉(zhuǎn)換器元件或者為包括磷光體的涂層，或者其中該第二發(fā)光轉(zhuǎn)換器元件為包括第二砩光體的第二單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器.
單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器可以是半透明或透明的.因此它們不妨礙光的透射且背散射最小.
然而，WO2006/087660中披露的發(fā)光轉(zhuǎn)換器無論在裝置內(nèi)布置于何處或如何布置，大部分第一磷光體顆粒更靠近LED芯片布置，并在第二磷光體顆粒之前接收來自LED芯片的入射光.因此，即使這些包括單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的裝置在跨越其表面時(shí)也發(fā)生色溫的變化.
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有改善的發(fā)射光顏色均勻性的磷光體轉(zhuǎn)換發(fā)光二極管.

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供一種照明系統(tǒng)，其包括輻射源和含有復(fù)合發(fā)光材料的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該復(fù)合發(fā)光材料包括至少一種笫一磷光體和至少一種笫二褲光體，該至少一種第二磷光體能夠吸收由該輻射源發(fā)射的光的一部分并發(fā)射波長與吸收的光的波長不同的光.
本發(fā)明的照明系統(tǒng)將發(fā)射光，該光是由輻射源發(fā)射的光和由包括多種磷光體的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器發(fā)射的光的全面混合.因此，發(fā)射的光僅具有人眼察覺不到的顏色的變化，并在強(qiáng)度方面僅具有小的漸變，
根據(jù)本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例，輻射源為發(fā)光二極管.這種照明系統(tǒng)已知為磷光體轉(zhuǎn)換發(fā)光二極管(pcLED),該復(fù)合單片陶資發(fā)光轉(zhuǎn)換器因此極大地簡化了各種幾何形狀的磷光體轉(zhuǎn)換發(fā)光二極管的制造。與常規(guī)粉末磷光體解決方案相比，本發(fā)明還顯示出如下優(yōu)點(diǎn)更高的封裝效率、更高的亮度、拾放組裝以及改善的pcLED色點(diǎn)控制。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)變型例，該復(fù)合發(fā)光材料為顆粒-顆粒復(fù)合物.包括顆粒-顆粒復(fù)合物的該復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器可以形成為多種
磷光體材料在空間上均分分布的緊湊一體元件.由于磷光體轉(zhuǎn)換發(fā)光二極管(pcLED)的白點(diǎn)和顯色對(duì)裝置內(nèi)磷光體晶粒的空間分布非常敏感，色度控制顯著改善.因此，這種pcLED的廢品率非常低，因?yàn)榱坠怏w的恰當(dāng)混合易于控制.
根據(jù)本發(fā)明另一變型例，該復(fù)合發(fā)光材料為堆疊多層復(fù)合物，該復(fù)合物包括重復(fù)的至少第一和笫二成份層.對(duì)于不同磷光體材料的聯(lián)合陶瓷加工不可行的情形，堆疊多層復(fù)合物為顆粒-顆粒復(fù)合物的有用備選，
本發(fā)明的特別優(yōu)選實(shí)施例涉及一種復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，其中第一陶瓷晶粒由綠光磷光體材料形成，第二陶瓷晶粒由紅光鱗光體材料形成.如果第一磷光體是通式為AeSi2N202:Eu的綠光銪(II)摻雜堿土金屬氣代次氮基硅酸鹽磷光體且第二磷光體是通式為Ae2Si5N8:Eu的紅光銪(II)摻雜堿土金屬次氮基硅酸鹽磷光體，則該實(shí)施例尤為有用，因?yàn)榇嬖谝环N披露的制造這種陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的簡易方法.與藍(lán)光二極管相結(jié)合，所發(fā)射的光將是白光.
另一有用備選涉及一種復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，其中第一磷光體為黃光磷光體且笫二磷光體為藍(lán)光磷光體.與紫外二極管相結(jié)合，所發(fā)射的光也將是白光。
本發(fā)明還涉及一種含有復(fù)合發(fā)光材料的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該復(fù)合發(fā)光材料包括至少一種第 一磷光體和至少一種第二磷光體，該至少一種第二磷光體能夠吸收由輻射源發(fā)射的光的一部分并發(fā)射波長與吸收的光的波長不同的光.該復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器消除了離
散布置每一種磷光體材料的要求，且提供了大為增強(qiáng)的光混合特性.該復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器容易加工至均勻厚度，因此整個(gè)表面上的
顏色轉(zhuǎn)換效果相同，提供了比現(xiàn)有技術(shù)裝置更為均勻的復(fù)合光.
如專家所知，LED制造受光學(xué)變化性和不精確工藝控制之?dāng)_.LED制造商目前這樣應(yīng)對(duì)工藝變化性，即，例如通過任意數(shù)目的測量光學(xué)輸出屬性(諸如波長和/或發(fā)光強(qiáng)度)來"分揀，，(binning) LED管芯，且隨后例如通過任意數(shù)目的測量光學(xué)輸出屬性(諸如CIE x和y色坐 標(biāo)、關(guān)聯(lián)的色溫(CCT)和/或輻射通量)來再次分揀最終的磷光體轉(zhuǎn) 換LED,
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為，復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)其光轉(zhuǎn)換屬 性而分別分揀，即，分組和存儲(chǔ).通過基于其光轉(zhuǎn)換屬性來分組和存 儲(chǔ)CLC，磷光體轉(zhuǎn)換LED的制造可以大幅簡化，因?yàn)榭梢匀菀椎卣业?具有期望的光轉(zhuǎn)換屬性的發(fā)光轉(zhuǎn)換元件并將其匹配到LED管芯以產(chǎn)生 期望的結(jié)果。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種含有復(fù)合發(fā)光材料的復(fù)合單片 陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的制造方法，該復(fù)合發(fā)光材料包括至少一種第一磷光 體和至少一種第二磷光體，該至少一種第二磷光體能夠吸收由輻射源 發(fā)射的光的一部分并發(fā)射波長與吸收的光的波長不同的光，該制造方 法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(i)通過混合第一磷光體材料的前驅(qū)物與第二材 料來制備粉末混合物，該第二材料選自第二磷光體材料和該第二磷光 體材料的前驅(qū)物，(ii)壓緊和成形該粉末混合物為預(yù)成型件，以及(iii) 共燒結(jié)該預(yù)成型件混合物.
預(yù)成型件陶瓷元件的共燒結(jié)工藝提供了燒結(jié)過程中的改進(jìn)的尺度 控制并降低了工藝成本。
在本發(fā)明方法的一個(gè)有用變型例中，前驅(qū)物材料為生(未燒結(jié)的) 陶資磷光體粉末，通過該方法，按照笫一和第二磷光體之間的化學(xué)反 應(yīng)保證受到抑制的方式，笫一和第二磷光體材料組合并固化以形成固 體復(fù)合材料.
根據(jù)本發(fā)明方法的該變型例的特別優(yōu)選實(shí)施例，第一磷光體是通 式為AeSi2N202:Eu的綠光銪(II)摻雜堿土金屬氣代次氮基硅酸鹽磷光 體，且第二磷光體是通式為Ae2Si5N8:Eu的紅光銪(II)摻雜堿土金屬次 氮基硅酸鹽磷光體，其中第一磷光體的前驅(qū)物和笫二磷光體的前驅(qū)物 包括堿土金屬和銪的混合氣化物AeO:Eu以及氮化硅Si3N4.
這些及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將通過下述發(fā)明詳述

以 及所附權(quán)利要求及附圖而顯見。

圖1示出交流白色LED燈的示意性側(cè)視圖，其包括置于由發(fā)光二極管倒裝芯片結(jié)構(gòu)發(fā)射的光的路徑內(nèi)的本發(fā)明復(fù)合陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器.
圖2示出根據(jù)具體實(shí)施例的陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的發(fā)射光謙，
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明側(cè)重于包括初級(jí)輻射源的任何配置的照明系統(tǒng)中的包括發(fā) 光材料的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器(CLC ),該發(fā)光材料包括多種磷光 體，至少一種笫一磷光體和至少一種笫二磷光體.此處使用的措辭"輻 射"涵蓋電磁波譜的紫外、紅外和可見光區(qū)域內(nèi)的輻射.
一般而言，陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器是在受到高能電磁光子激勵(lì)時(shí)發(fā)射可 見或近可見光譜內(nèi)的電磁輻射的陶瓷.
單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器是由其典型微結(jié)構(gòu)來表征的陶瓷體.單片陶 覺發(fā)光轉(zhuǎn)換器的微結(jié)構(gòu)為多晶，即，隱晶、微晶或納米晶的晶粒的無 規(guī)則團(tuán)聚物.在生產(chǎn)期間，晶粒生長，從而變得緊密接觸并共享晶粒 邊界.宏觀上，單片陶瓷看上去是各向同性的，然而通過SEM(掃描 電子顯微鏡)可以容易地檢測到多晶微結(jié)構(gòu).
由于其單片多晶微結(jié)構(gòu)，單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器是透明的，或者至
少具有高的透光性而具有低的光吸收.
本發(fā)明的單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包括復(fù)合布置中的至少一種第一磷 光體和至少一種笫二磷光體(或者第三磷光體或笫四磷光體)，每種磷 光體有著各自的發(fā)光特性.
本發(fā)明可使用各種磷光體材料來工作.磷光體材料通常在成份上 是無機(jī)的，優(yōu)選地具有電磁波譜的藍(lán)色到近紫外范圍的激勵(lì)波長(300 至475nm)以及可見光波長范圍的發(fā)射波長.配制形成多種磷光體材 料的復(fù)合物，例如紅光和綠光磷光體或者藍(lán)光和黃光磷光體的混合物， 以實(shí)現(xiàn)觀察者感受到的期望的顏色平衡.對(duì)于具有更高顯色指數(shù)的磷 光體復(fù)合物而言，具有更寬發(fā)射帶的磷光體材料是有用的，將約300 至475nm范圍內(nèi)的光轉(zhuǎn)換成可見光范閨內(nèi)更長波長的光的這些褲光體 在本領(lǐng)域中是公知的.
對(duì)于復(fù)合陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的制備而言，尤為重要的一方面是按照 下述方式使多種磷光體材料組合并固結(jié)以形成復(fù)合材料，即，確保了 固體單片復(fù)合物的微結(jié)構(gòu)由維持各自發(fā)光屬性的磷光體晶粒(grain)
來表征，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，各組成材料必需基本上不相互反應(yīng)從而保持其 不同的結(jié)晶相，因?yàn)槿魏蜗嗷シ磻?yīng)將顯著弱化所期望的發(fā)光屬性.
在包括復(fù)合物布置中的多種磷光體的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的 制造方法的第一變型例中，復(fù)合發(fā)光材料的成份設(shè)置成顆粒_顆粒復(fù) 合物布置.
這種顆粒-顆粒復(fù)合物通過兩種方法制備.每種方法需要(i)制 備第一磷光體材料的前驅(qū)物與第二材料的粉末混合物，該笫二材料選 自第二磷光體材料和該笫二磷光體材料的前驅(qū)物，(ii)粉末壓緊和成 形該混合物為預(yù)成型件，以及(iii)共燒結(jié)該預(yù)成型件混合物.
顯見地，第一和笫二磷光體材料的相對(duì)量可經(jīng)選擇以實(shí)現(xiàn)復(fù)合物 的最終屬性，且可以視期望應(yīng)用而廣泛地變化.
在第一方法中，該顆粒-顆粒復(fù)合物通過將第一磷光體的至少一 種前驅(qū)物材料的顆粒與笫二磷光體材料混合制造.
在該第一方法的一個(gè)實(shí)施例中，第一磷光體材料的前驅(qū)物作為"生
(green )"陶瓷材料被提供.此上下文中的"生"是指煅燒的(fired )但 是未燒結(jié)的(sintered)陶瓷材料.
"生"陶瓷材料密度小于理論密度，通常小于理論密度的65%.其 通常還具有0.1至10pm范圍內(nèi)的顆粒尺寸.
第一磷光體材料的"生"前驅(qū)物材料與預(yù)燒結(jié)的粗顆粒尺寸(顆粒 尺寸約1.0至50微米)的第二磷光體材料組合。與第二磷光體相比， 笫一砩光體材料優(yōu)選地是具有較低燒結(jié)溫度的材料.這些磷光體的單 獨(dú)燒結(jié)助于保持相組分分離，因此減少組分之間相互反應(yīng)的可能性.
兩種材料使用標(biāo)準(zhǔn)球磨技術(shù)來混合，不過也可以使用本領(lǐng)域已知 的其它方法而得到合適的結(jié)果.
一旦充分混合，該混合物成形為預(yù)成型件.該固體復(fù)合預(yù)成型件 應(yīng)呈現(xiàn)足夠的強(qiáng)度和韌度以耐受破碎和斷裂，并且允許預(yù)成形，
該預(yù)成型件隨后在適用于第一磷光體材料燒結(jié)的溫度和氣氛的燒 結(jié)條件下燒結(jié)。燒結(jié)處理實(shí)施期望的時(shí)間量以使陶瓷致密到大致其理 論密度，從而形成透明材料.這些參數(shù)確保最小孔隙度和最大密度且 組分磷光體材料之間無相互反應(yīng).
尤其優(yōu)選的是熱等靜壓處理，或者是冷等靜壓處理及隨后的燒結(jié). 也可以應(yīng)用冷等靜壓壓制和燒結(jié)及隨后的熱等靜壓壓制的組合.為了控制晶粒生長并除去剩余孔隙，需要對(duì)致密化工藝進(jìn)行仔細(xì) 監(jiān)督.
通過在高溫加熱第一摻雜粉末磷光體和第二摻雜粉末磷光體，直 到顆粒的表面開始在顆粒接觸點(diǎn)處形成強(qiáng)鍵合或頸部，形成復(fù)合單片 陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器.在燒結(jié)期間，部分連接的顆粒形成剛性團(tuán)聚物，其 通過頸部生長而進(jìn)一步減少其孔隙度，晶粒邊界形成并移動(dòng)，使得某 些晶粒生長，而其它晶粒不生長.這個(gè)階段在孔隙溝道連接(開放孔 隙)時(shí)持續(xù)，直到孔隙被隔離(閉合孔隙)為止.在最后的燒結(jié)階段， 孔隙閉合且沿著晶粒邊界緩慢消除，直至實(shí)現(xiàn)完全致密化.
磷光體材料的成形和燒結(jié)處理形成復(fù)合單片陶瓷體，該復(fù)合單片 陶瓷體通過當(dāng)前陶瓷工藝可以容易地鋸切和加工.優(yōu)選地，該復(fù)合單 片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器被拋光以得到平滑表面并防止由表面粗糙所致的漫 散射，
與現(xiàn)有技術(shù)相比，使用本發(fā)明的具有顆粒-顆粒復(fù)合物的單片陶 瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器獲得了特別有益的效果，其中粗晶粒紅光磷光體的顆粒 的表面覆蓋有綠光磷光體的細(xì)晶粒顆粒層.在該發(fā)光復(fù)合材料中，光 混合尤為改善.
根據(jù)該具體實(shí)施例，該復(fù)合陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器具有大致上由70至卯 重量百分比的綠光SrSi202N2:Eu作為笫一磷光體材料和10至30重量 百分比的紅光(Ba，Sr)2SisNs:Eu作為第二磷光體材料組成的成份.
第一綠光磷光體材料SrSi202N2:Eu的前驅(qū)物材料的制備開始于二 價(jià)金屬鍶和銪的混合氧化物SrO:Eu的制備.
為了制備二價(jià)金屬的混合氧化物SrO:Eu,堿土金屬和銪(III)的高 純度的硝酸鹽、碳酸鹽、草酸鹽和醋酸鹽通過攪拌而溶解于25至30 毫升的去離子水中.銪(III)的期望濃度介于約l至6摩爾百分比之間.
攪拌這些溶液同時(shí)在扁平烤盤上加熱這些溶液直到水蒸發(fā)，視組 成而定，形成白色或黃色骨料.
固體在120°C干燥一整夜(12小時(shí))，得到的固體被精細(xì)研磨并置 于高純度氧化鋁坩堝內(nèi).坩堝被栽入含有木炭(charcoal)的盆內(nèi)且隨 后栽入管式爐內(nèi)，接著用流動(dòng)的氮?dú)?氫氣吹掃幾個(gè)小時(shí).爐參數(shù)為以 10。C/min增加到1100。C，隨后在U00。C保持4小時(shí)，接著爐關(guān)閉并 允許冷卻到室溫。二價(jià)混合金屬氣化物隨后按照預(yù)定比例與氮化硅Si3N4、氣化硅 Si02且最終與熔接刑混合.
混合物置于高純度氧化鋁坩堝內(nèi).坩堝被栽入含有木炭的盆內(nèi)，隨 后栽入管式爐內(nèi)并用流動(dòng)的氮?dú)?氫氣吹掃幾個(gè)小時(shí).爐參數(shù)為以 10。C/min增加到1200。C，隨后在1200。C保持4小時(shí)，接著爐緩慢冷 卻到室溫。
在1300。C進(jìn)行第二退火步驟之前，樣品再一次精細(xì)研磨，以制備 用于綠光SrSi202N2:Eu的"生"的未燒結(jié)的超精細(xì)前驅(qū)物材料.
粗晶粒的預(yù)燒結(jié)的紅光第二粉末材料(Ba，Sr)2SisNs :Eu的制備也 是開始于二價(jià)金屬混合氧化物(Sr，Ba)O:Eu的制備.
二價(jià)金屬氧化物(Sr，Ba)O:Eu按照預(yù)定比例與氮化硅Si3N4和碳混 合，混合物置于高純度碳化硅坩堝內(nèi).坩堝被栽入含有木炭的盆內(nèi)，隨 后栽入管式爐內(nèi)并用流動(dòng)的氮?dú)?氫氣吹掃幾個(gè)小時(shí).爐參數(shù)為以 10。C/min增加到1450°C，隨后在1450。C保持4小時(shí)，接著爐緩慢冷 卻到室溫，在1500。C進(jìn)行笫二退火步驟之前，樣品再一次精細(xì)研磨. 燒結(jié)的粗晶粒陶瓷粉末(Ba，Sr)2SisNs:Eu平均顆粒尺寸為2至8jun.
為了制備該復(fù)合單片CLC,第一磷光體材料的超精細(xì)亞微米前驅(qū) 物材料和粗晶粒的燒結(jié)的第二磷光體材料通過濕磨來混合.
粉末混合物隨后在約100。C晾干.混合物單軸地壓制成陶瓷盤 (disk),且隨后通過冷等靜壓壓制(3.2kbar)進(jìn)一步壓緊.預(yù)成型件 體在H2/N2 ( 5/95 )氣氛中在1550。C燒結(jié)2至12小時(shí)，
通常，燒結(jié)是在還原氣氛中進(jìn)行，氮?dú)鈿夥?、氮?dú)?氫氣氣氛、 氨氣氣氛、以及諸如氬氣的惰性氣體氣氛可作為還原氣氛的示例.
在冷卻到室溫之后，得到的復(fù)合單片陶瓷被鋸切成盤.這些盤被 研磨和拋光以得到在陶瓷基體中包括綠光SrSi202N2:Eu磷光體晶粒和 紅光(Ba，Sr)2SisNs :Eu磷光體晶粒的最終半透明的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光 轉(zhuǎn)換器.該半透明的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器還可包括由 (Ba，Sr，Eu)Si7N1()材料形成的少量陶瓷晶粒，這些陶瓷晶粒不會(huì)負(fù)面影 響復(fù)合材料的發(fā)光屬性。
該具體實(shí)施例的CLC微結(jié)構(gòu)的特征為，在1000:1的放大倍數(shù)下， 晶粒的統(tǒng)計(jì)學(xué)粒狀結(jié)構(gòu)形成晶粒邊界網(wǎng)絡(luò).陶瓷呈現(xiàn)的密度為理論密 度的至少97%,通過在氮?dú)鈿夥?溫度范圍為1500-1780。C，壓力范圍為2000至30000 PSI (138至2.070 bar))內(nèi)對(duì)陶資進(jìn)行后退火以除去剩 余的孔隙，可以進(jìn)一步提高樣品的密度.
利用上述加工方法，磷光體材料能夠保持其發(fā)光屬性.該結(jié)果是 非常意想不到的，因?yàn)楣矡Y(jié)材料以形成復(fù)合物時(shí)預(yù)期會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)屬 性的某種降低.然而，未出現(xiàn)發(fā)光屬性的顯著損失.
在包括顆粒 一顆粒復(fù)合物的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的第二制造 方法中，第一磷光體的前驅(qū)物材料和第二磷光體的前驅(qū)物材料相混合 以供進(jìn)一步加工.
在第一和第二磷光體屬于相關(guān)化學(xué)成份且第一和笫二磷光體的前 驅(qū)物可以一起反應(yīng)的情形，用于制備本發(fā)明的復(fù)合陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的 該第二方法是有用的.
作為示例，在上述第一實(shí)施例的堿土金屬次氮基硅酸鹽主基體內(nèi) 包括銪(II)的紅色磷光體以及在緊密關(guān)聯(lián)的堿土金屬氣代次氮基硅酸 鹽主基體內(nèi)包括銪(II)的綠色磷光體可以按照下式通過使氮化硅與氣 化鍶和/或選自鎂、鈣、鍶和鋇的氣化物的另一堿土金屬氧化物一起反 應(yīng)來制備
4 AeO:Eu + 3 Si3N4 — Ae2SisN8:Eu + 2 AeSi202N2:Eu
用于這種復(fù)合物的開始粉末可以通過按照恰當(dāng)量形成兩種磷光體 的前驅(qū)物成分的混合物來制得.恰當(dāng)量是指相對(duì)濃度，其形成包括期 望相對(duì)比例的陽離子的最終透明體.
對(duì)于SrSi202N2:Eu/ Sr2Si5N8:Eu復(fù)合物的一步合成，SrO:Eu(2%) 與Si3N4在干燥氣氛內(nèi)按照SrO:Eu : Si3N4 - 1.5 : 1的摩爾比混合，并 在1550。C在H2/N2 (5/95)氣流中煅燒4小時(shí).得到的粉末隨后在涂布有 氮化硼的石墨模具內(nèi)，在100Mpa和1550。C在真空內(nèi)熱壓制2小時(shí). 在熱壓制之后，陶梵在氮?dú)庵性?200至1400。C的溫度后退火.
這種條件下的燒結(jié)處理致使固體前驅(qū)物相之間的反應(yīng)，以形成復(fù) 合布置中兩種不同磷光體Sr2Si5N8:Eu和SrSi20 2N 2:Eu的結(jié)晶團(tuán)聚物，
除了所述顆粒-顆粒復(fù)合物之外，發(fā)光材料的成份也可以形成多 層布置的層疊復(fù)合物.
在層疊復(fù)合物中，第一層包括第一磷光體材料的磷光體顆粒，第 二層包括第二磷光體材料的磷光體顆粒.
使用刮刀技術(shù)的帶式澆注廣泛用于陶瓷層疊多層復(fù)合物的生產(chǎn).在該工藝中，由溶劑、結(jié)合劑和塑化刑組成的液體系統(tǒng)內(nèi)的陶資磷光 體粉末懸浮液澆注到移動(dòng)的載體表面上.當(dāng)栽體表面沿著支持臺(tái)行進(jìn) 時(shí)，漿料經(jīng)過刀片的刃部下方，該刀片將漿料刮成受控厚度和寬度的 層。當(dāng)溶劑蒸發(fā)時(shí)，陶瓷顆粒聚并為較致密的撓性膜，該撓性膜可以 從栽體表面剝離形成連續(xù)片，所述片按尺寸切割，備選地按照恰當(dāng)順 序與第二材料的片堆疊，并層疊以形成固體復(fù)合疊層.該疊層被煅燒 以分解和除去有機(jī)結(jié)合劑并燒結(jié)磷光體顆粒，由此形成致密的復(fù)合單
片CLC。
除了其結(jié)構(gòu)均勻性和完整性之外，本發(fā)明的層疊多層復(fù)合物提供
了在非常寬的允許值范圍內(nèi)嚴(yán)格可控的物理屬性.因此，最終產(chǎn)物的 屬性簡單地依賴于被選擇并入其中的箔的成份、厚度和屬性.
在本發(fā)明特定實(shí)施例中，對(duì)燒結(jié)的復(fù)合單片CLC進(jìn)行后成形是有 用的，這可以利用陶瓷材料公知的慣用工藝來完成，例如，使復(fù)合單 片CLC的頂面變得粗糙，這對(duì)于散射經(jīng)轉(zhuǎn)換的光以提高光的外耦合是 有用的，特別例如當(dāng)CLC具有高的折射率時(shí).
根據(jù)本發(fā)明笫二方面，提供了一種照明系統(tǒng)，其包括輻射源和含 有復(fù)合發(fā)光材料的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該復(fù)合發(fā)光材料包括至 少一種笫一磷光體和至少一種第二磷光體，該至少一種第二磷光體能 夠吸收由該輻射源發(fā)射的光的一部分并發(fā)射波長與吸收的光的波長不 同的光。
輻射源優(yōu)選地包括半導(dǎo)體光輻射發(fā)射器以及響應(yīng)于電激勵(lì)而發(fā)射 光輻射的其它裝置，半導(dǎo)體光輻射發(fā)射器包括發(fā)光二極管LED芯片、 發(fā)光聚合物(LEP )、激光二極管(LD )、有機(jī)發(fā)光裝置(OLED )、聚 合物發(fā)光裝置(PLED)等.此外，例如，在諸如汞低壓和高壓放電燈、 疏放電燈以及基于分子輻射體的放電燈之類的放電燈和熒光燈中以及 X射線管中發(fā)現(xiàn)的輻射發(fā)射源，也可以被預(yù)期用于本發(fā)明的發(fā)光轉(zhuǎn)換 器的輻射源.
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，該輻射源為發(fā)光二極管.
在本發(fā)明中，可以預(yù)期包括發(fā)光二極管或者發(fā)光二極管陣列以及 含有多種磷光體的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的照明系統(tǒng)的任意配置， 從而在如上所述被發(fā)射初級(jí)紫外光或藍(lán)光的LED照射時(shí)獲得特定顏色 或白色的光.可用于將復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器輛合到發(fā)光二極管或者發(fā)光二
極管陣列的可能配置包括外延長成的裝置(epitaxy-up device)以及倒 裝芯片裝置.
現(xiàn)在將描述包括輻射源和復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的這種照明系 統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)構(gòu)造.
圖1示意性說明包括復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器2的固態(tài)照明系統(tǒng)1 的具體結(jié)構(gòu)，其中LED管芯4按照倒裝芯片配置封裝在基板6上，兩 個(gè)電極5接觸各自引線而不使用結(jié)合引線.LED管芯倒置地倒裝并結(jié) 合到導(dǎo)熱基板上.該單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器配置成盤，其布置成使得從 發(fā)光二極管發(fā)射的大部分的光以近似垂直于盤表面的角度進(jìn)入該盤. 為此，反射器3設(shè)置在發(fā)光二極管周圍，從而沿著朝向盤的方向反射 從該發(fā)光二極管發(fā)射的光.
盡管圖1示出具體LED結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明不依賴于LED管芯的任 何具體結(jié)構(gòu).例如，LED管芯內(nèi)基板和半導(dǎo)體層的數(shù)目以及有源區(qū)的 詳細(xì)結(jié)構(gòu)可以改變.另外，LED管芯在圖1中示為具有"倒裝芯片"類 型的架構(gòu)，即，電極5置于LED管芯1的同一側(cè)上.然而，諸如電極 5位于管芯對(duì)立側(cè)上的其它類型LED管芯架構(gòu)可以與本發(fā)明一起使用.
例如，通過將諸如環(huán)氣樹脂、硅酮等高溫光學(xué)透明樹脂材料的透 明結(jié)合層7置于發(fā)光轉(zhuǎn)換器和LED管芯之間，發(fā)光轉(zhuǎn)換器可固定到 LED管芯2.在固化時(shí)，結(jié)合層7將發(fā)光轉(zhuǎn)換器固持到LED管芯.
或者，當(dāng)將復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器直接結(jié)合到LED管芯時(shí)，低 軟化點(diǎn)的玻璃是有用的.通過將LED管芯和復(fù)合單片CLC的溫度提 升至高于玻璃的軟化點(diǎn)并應(yīng)用壓力將材料壓制在一起，可以結(jié)合這些 材料.
在工作時(shí)，電力供給到管芯以激勵(lì)管芯.管芯在被激勵(lì)時(shí)發(fā)射初 級(jí)光，例如藍(lán)光.所發(fā)射初級(jí)光的一部分被陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器完全或部 分吸收。陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器隨后響應(yīng)于初級(jí)光的吸收而發(fā)射次級(jí)光，即 具有更長峰值波長的轉(zhuǎn)換光.所發(fā)射初級(jí)光的剩余未被吸收部分連同 次級(jí)光傳輸通過該陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器.
反射器沿著一總體方向引導(dǎo)作為輸出光的未吸收的初級(jí)光以及該 次級(jí)光，因此，輸出光是由從管芯發(fā)射的初級(jí)光和從熒光層發(fā)射的次 級(jí)光組成的復(fù)合光.本發(fā)明照明系統(tǒng)的輸出光的色溫或色點(diǎn)將根據(jù)次級(jí)光相對(duì)于初級(jí) 光的光謙分布和強(qiáng)度而變化.
首先，通過恰當(dāng)選擇發(fā)光二極管，可以改變初級(jí)光的色溫或色點(diǎn)，
其次，通過恰當(dāng)選擇該復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器中的砩光體組成， 可以改變次級(jí)光的色溫或色點(diǎn).
此外，可以配置該復(fù)合物中的厚度和相對(duì)磷光體含量，以轉(zhuǎn)換期
望百分比的入射在該復(fù)合單片CLC上的初級(jí)光，
取決于發(fā)光二極管以及磷光體的光發(fā)射波長，可以提供由兩種(多 種)磷光體的色點(diǎn)以及發(fā)光元件的色點(diǎn)形成的色三角形(多邊形)內(nèi) 的色度困中任意點(diǎn)的光發(fā)射，
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，照明系統(tǒng)的輸出光可具有使其看上去為 "白"光的光謙分布.
措辭"白光，，是指這樣的光，該光刺激人眼中的紅、綠和藍(lán)傳感器 以形成普通觀察者將其視為"白色"的外觀.這種光可以偏向紅色(通 常稱為暖白光)或者偏向藍(lán)色(通常稱為冷白光).這種光可具有高達(dá) 100的顯色指數(shù).尤為優(yōu)選的是色度位于色度圖內(nèi)的黑體線上的白色范 圍光.
在本發(fā)明的白光照明系統(tǒng)的第一實(shí)施例中，通過選擇發(fā)光材料， 使得由藍(lán)光二極管發(fā)射的藍(lán)光輻射被轉(zhuǎn)換到互補(bǔ)的紅色和綠色波長范 圍以形成暖白光，可以有利地制作該裝置.
在該實(shí)施例中，二極管選自藍(lán)光二極管或者紫光二極管，第一類 型的磷光體顆粒在受到來自該二極管的光激勵(lì)時(shí)能夠發(fā)射紅光，且第 二類型的磷光體顆粒在受到來自該二極管的光激勵(lì)時(shí)能夠發(fā)射綠光. 在該實(shí)施例中，因?yàn)?a)由該二極管發(fā)射的經(jīng)過磷光體層的(未被吸 收的)光、(b)由于磷光體吸收的該二極管發(fā)射的光的下變頻形成的 紅光以及(c)由于鱗光體吸收的該二極管發(fā)射的光的下變頻形成的綠 光，發(fā)光裝置因此發(fā)射具有多種波長分量的光.結(jié)果為，該發(fā)光裝置 發(fā)射白光.
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，綠光和紅光通過該復(fù)合單片陶瓷發(fā)光 轉(zhuǎn)換器的磷光體材料產(chǎn)生，該復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包括通式為 Ae2SisN8:Eu的紅光(590至650nm)磷光體和通式為AeSi2N202:Eu的 綠光(500至560nm)磷光體，其中Ae為選自鈣、鋇和鍶的至少一種堿土金屬.
使用發(fā)射最大值位于380至480nm的藍(lán)色LED,得到尤為良好的 結(jié)果.具體考慮銪(II)激勵(lì)磷光體的激發(fā)光譜，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)值在445至 468nm，
通過將尺寸為1.0x1.0x0.1 mm的本發(fā)明的拋光復(fù)合單片陶資發(fā)光 轉(zhuǎn)換器安裝于在458nm發(fā)光的1W的(Al，In，Ga)N LED芯片上，可以 尤為優(yōu)選地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的白光照明系統(tǒng).
圖2示出了具有包括Sr2Si5N8:Eu和Sr2Si2N202:Eu的復(fù)合單片陶 瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的pcLED結(jié)合最大發(fā)射位于460nm的藍(lán)光LED的發(fā)射 光譜.關(guān)聯(lián)的色溫CCT測量值為4200K,顯色指數(shù)測量值為Ra - 80-92 (R9 < 60)。
關(guān)聯(lián)的色點(diǎn)的坐標(biāo)為x = 0.377且y = 0.392,
當(dāng)與由包括YAG:Ce的現(xiàn)有技術(shù)照明系統(tǒng)產(chǎn)生的白色輸出光的光 譜分布相比時(shí)，光諉分布的表觀差異為位于可見光謙的紅光區(qū)域內(nèi)的 峰值波長的偏移.因此，與現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生的輸出光相比，由該照明系 統(tǒng)產(chǎn)生的白色輸出光具有顯著的紅色附加量.
在另 一實(shí)施例中，礴光體成份包括三種不同類型的磷光體顆粒(第 一類型的磷光體顆粒、第二類型的磷光體顆粒和第三類型的磷光體顆 粒X在一個(gè)實(shí)施例中，.二極管為紫外二極管，第一類型的磷光體顆粒 在受激勵(lì)時(shí)能夠發(fā)射紅光，第二類型的磷光體顆粒在受激勵(lì)時(shí)能夠發(fā) 射綠光，第三類型的磷光體顆粒在受激勵(lì)時(shí)能夠發(fā)射藍(lán)光.在這種實(shí) 施例中，因?yàn)?a)經(jīng)過陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的(未被吸收的)紫外光、(b) 由于磷光體吸收的光的下變頻形成的紅光、(c)由于磷光體吸收的光 的下變頻形成的綠光以及(d)由于磷光體吸收的光的下變頻形成的藍(lán) 光，發(fā)光裝置因此發(fā)射具有多個(gè)波長分量的光.結(jié)果為，該發(fā)光裝置 發(fā)射白光。
在白光裝置的又一實(shí)施例中，該裝置包括紫外二極管以及含有兩 種不同類型的磷光體顆粒(第一類型的磷光體顆粒和第二類型的磷光 體顆粒)的磷光體成份。在一個(gè)這種實(shí)施例中，第一類型的礴光體顆 粒在受激勵(lì)時(shí)能夠發(fā)射黃光，且笫二類型的鱗光體顆粒在受激勵(lì)時(shí)能 夠發(fā)射藍(lán)光。在這種實(shí)施例中，因?yàn)?a)經(jīng)過發(fā)光轉(zhuǎn)換器的(未被吸 收的)紫外光、(b)由于磷光體吸收的光的下變頻形成的黃光以及(c)由于磷光體吸收的光的下變頻形成的藍(lán)光，發(fā)光裝置因此發(fā)射具有多 個(gè)波長分量的光。結(jié)果為，該發(fā)光裝置發(fā)射白光.
根據(jù)本發(fā)明的備選實(shí)施例，提供了一種照明系統(tǒng)，其發(fā)射具有光 譜分布的輸出光從而看上去是有色的，例如"黃到紅"，
除了上述具體實(shí)施例的磷光體之外，適用于該磷光體成份的典型
磷光體顆粒包括選自下述的材料用于發(fā)射紅光的SrS:Eu2+、CaS:Eu2+、 CaS:Eu2+，Mn2+、 (Zn，Cd)S:Ag+、 Mg4Ge055F:Mn4+、 Y202S:Eu2+、 ZnS:Mn2+、 CaAlSiN3:Eu，以及如此處所述受激勵(lì)時(shí)發(fā)射光譜在可見光 譜的紅光區(qū)域內(nèi)的其他磷光體材料.對(duì)于發(fā)射綠光，也適用于該磷光 體成份的典型磷光體顆粒包括選自下述的材料(Ba，Sr)2Si04:Eu2+、 SrGa2S4:Eu2+、 ZnS:Cu， Al以及如此處所述受激勵(lì)時(shí)發(fā)射光謙在可見光 鐠的綠光區(qū)域內(nèi)的其它磷光體材料.在特定實(shí)施例中，除了紅光和綠 光磷光體之外，磷光體成份中還可包括藍(lán)光磷光體顆粒；合適的藍(lán)光 磷光體顆?？砂ɡ鏐aMg2Al16027:Eu2+， Mg或者如此處所述受激 勵(lì)時(shí)發(fā)射光詳在可見光譜的藍(lán)光區(qū)域內(nèi)的其它磷光體材料.在另一實(shí) 施例中，磷光體成份包括一種類型的磷光體顆粒，其選擇為在激勵(lì)時(shí) 產(chǎn)生黃光。對(duì)于黃光發(fā)射，適用于該磷光體成份的典型磷光體顆粒包 括選自下述的材料(Y,Gd)3 Al5012:Ce，Pr以及如此處所述受激勵(lì)時(shí)發(fā) 射光譜在可見光諳的黃光區(qū)域內(nèi)的其它磷光體材料.
盡管出于說明目的，結(jié)合具體實(shí)施例闡述了本發(fā)明，但本發(fā)明不 限于此.可以進(jìn)行各種調(diào)適和變型而不背離本發(fā)明的范圍.例如，該 復(fù)合發(fā)光轉(zhuǎn)換器可以從所列磷光體以外的磷光體材料來制造.任何常 規(guī)磷光體材料可用來替代這些磷光體.因此，所附權(quán)利要求的精神和 范圍不應(yīng)限于前述說明書.
權(quán)利要求
1. 一種照明系統(tǒng)，包括輻射源和含有復(fù)合發(fā)光材料的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該復(fù)合發(fā)光材料包括至少一種第一磷光體和至少一種第二磷光體，該至少一種第二磷光體能夠吸收由該輻射源發(fā)射的光的一部分并發(fā)射波長與吸收的光的波長不同的光。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的照明系統(tǒng)，其中該輻射源為發(fā)光二極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的照明系統(tǒng)，其中該復(fù)合發(fā)光材料為顆粒-顆粒復(fù)合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的照明系統(tǒng)，其中該復(fù)合發(fā)光材料為堆疊多層復(fù)合物.
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的照明系統(tǒng)，其中該第一磷光體為綠光罅光體，該第二磷光體為紅光磷光體.
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的照明系統(tǒng)，其中該綠光磷光體是通式為AeSi2N202:Eu的銪(II)摻雜堿土金屬氣代次氮基硅酸鹽磷光體，該紅光磷光體是通式為Ae2SisN8:Eu的銪(II)摻雜堿土金屬次氮基硅酸鹽磷光體.
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的照明系統(tǒng)，其中該第一磷光體為黃光磷光體，該笫二砩光體為藍(lán)光磷光體.
8. —種含有復(fù)合發(fā)光材料的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該復(fù)合發(fā)光材料包括至少一種第一磷光體和至少一種笫二磷光體，該至少一種笫二磷光體能夠吸收由輻射源發(fā)射的光的一部分并發(fā)射波長與吸收的光的波長不同的光.
9. 一種含有復(fù)合發(fā)光材料的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的制造方法，該復(fù)合發(fā)光材料包括至少一種第 一磷光體和至少一種第二磷光體，該至少一種第二磷光體能夠吸收由輻射源發(fā)射的光的一部分并發(fā)射波長與吸收的光的波長不同的光，該制造方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(i)混合第一磷光體材料的前驅(qū)物與第二材料，制備粉末混合物，該第二材料選自第二磷光體材料和該第二礴光體材料的前驅(qū)物，(ii)壓緊和成形該粉末混合物為預(yù)成型件，以及(iii)共燒結(jié)該預(yù)成型件混合物.
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中該前驅(qū)物材料為生(未燒結(jié))陶瓷磷光體粉末.
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中該第一磷光體是通式為AeSi2N202:Eu的綠光銪(II)摻雜堿土金屬氧代次氮基硅酸鹽磷光體，該第二磷光體是通式為Ae2SisN8:Eu的紅光銪(II)摻雜堿土金屬次氮基硅酸鹽磷光體，其中該笫一磷光體的前驅(qū)物和該第二磷光體的前驅(qū)物包括堿土金屬和銪的混合氧化物AeO:Eu以及氮化硅Si3N4.
全文摘要
一種照明系統(tǒng)包括輻射源和含有復(fù)合發(fā)光材料的復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該復(fù)合發(fā)光材料包括至少一種第一磷光體和至少一種第二磷光體，該至少一種第二磷光體能夠吸收由該輻射源發(fā)射的光的一部分并發(fā)射波長與吸收的光的波長不同的光，該照明系統(tǒng)提供了發(fā)射的光混合的改善的光混合和色度控制。本發(fā)明還涉及一種復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器以及這種復(fù)合單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的制造方法。
文檔編號(hào)H01L33/50GK101536199SQ200780041740
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
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