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TWI383036B - 螢光粉組成物及包含其之白光發光二極體裝置 - Google Patents

螢光粉組成物及包含其之白光發光二極體裝置 Download PDF

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TWI383036B
TWI383036B TW098138028A TW98138028A TWI383036B TW I383036 B TWI383036 B TW I383036B TW 098138028 A TW098138028 A TW 098138028A TW 98138028 A TW98138028 A TW 98138028A TW I383036 B TWI383036 B TW I383036B
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light emitting
white light
diode device
phosphor
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Chun Che Lin
Ru Shi Liu
Su Jen Wang
Jen Chun Lin
Hsien Chung Tsai
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China Glaze Co Ltd
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Description

螢光粉組成物及包含其之白光發光二極體裝置
本發明係關於一種螢光粉組成物及包含其之發光二極體裝置，更特別關於一種適合搭配藍光發光二極體晶片之螢光粉組成物及包含其之白光發光二極體裝置。
近來提倡綠色能源之趨勢，全世界等先進各國基於節約能源與環保意識，均選擇白光發光二極體逐漸取代傳統照明設備，其優點具體積小(可配合應用設備小型化)、耗電量低(用電量為一般燈泡的八分之一至十分之一，日光燈的二分之一)、壽命長(可達10萬小時以上)、發熱量低(熱輻射低)與反應速度佳(可高頻操作)等，因此可解決相當多過去白熾燈泡難以克服之問題，則稱白光發光二極體作為二十一世紀照明之新光源，也因兼具省電與環保概念，被喻為「綠色照明光源」。其中以藍光發光二極體(light emitting-diodes;LEDs)搭配黃色螢光粉產生白光為目前業界中較為成熟之技術。1996年日本日亞化學(Nichia Chemical)公司發展出以發黃光系列之釔鋁石榴石(Y3 A15 O12 ：Ce，YAG:Ce)螢光粉配合氮化銦鎵(InGaN)藍色發光二極體，可作為高效率之白光光源。但由於在白光成色過程中，部份藍光必須參與混色以得到白光，因此有色溫(Color temperature)偏高之問題，特別是於高電流操作時，色溫升高的問題將更嚴重。另外，YAG螢光粉於高溫環境下，其發光效率會隨溫度增加而降低，且其白光光譜幾乎不含紅色成份，因此其演色性(Color Rendering Index)約只有70-80，作為一般照明用光源時會有演色性不足的困擾，故可利用本發明之藍光晶片搭配黃綠色螢光粉與紅色螢光粉混成白光，其將具有更高之演色性。
於2006年Mueller-Mach等人於美國專利第7,038,370號所揭示內容為使用藍光晶片搭配螢光粉混成白光，其中所描述之螢光粉分別為黃綠色之(Lu1-x-y-a-b Yx Gdy )3 (Al1-z Gaz )5 O12 :Cea Prb (其中0<x<1,0<y<1,)與紅色之(Sr1-x Cax )S:Eu、(Sr1-x-y Bax Cay )2 Si5 N8 :Eu與(Sr1-x-y Bax Cay )2 Si5-x AlxN8-x :Eu。其所使用之黃綠色螢光粉必須含Pr元素。其紅色(Sr1-x Cax )S:Eu易受環境中之水汽作用而分解。且其專利中未揭示具高演色性之功效。
本發明之目的係提供一種適合藍光發光二極體晶片激發之螢光粉組成物，其乃利用藍光晶片搭配黃綠光與紅光螢光粉，即可獲得高演色性之特性。
為達成本發明所述目的，本發明提供一種螢光粉組成物，適合搭藍光發光二極體晶片，包含：一黃綠光螢光粉，該黃綠光螢光粉具有化學式結構為Lu3-x Al5 O12 :Cex ，其中0<；以及，一紅光螢光粉，該紅光螢光粉具有化學式結構為Sr2-y Si5 N8 :Euy 或Ca1-z AlSiN3 :Euz ，其中0.5，且。由於所使用之黃綠光螢光粉及紅光螢光粉製備過程簡單、迅速、以及易大量生產，且不含Pr，材料本身亦具熱穩定性之優點，故極具產業界應用價值。
此外，本發亦提供一種白光發光二極體裝置，包含：一藍光發光二極體晶片；以及本發明所述之螢光粉組成物，該螢光粉組成物配置於該藍光發光二極體晶片上。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
在本發明一實施例中，本發明係提供一種發明提供一種螢光粉組成物，適合搭藍光發光二極體晶片。該螢光粉組成物可包含：一黃綠光螢光粉，該黃綠光螢光粉具有化學式結構為Lu3-x Al5 O12 :Cex ，其中；以及紅光螢光粉，可具有化學式結構為Sr2-y Si5 N8 :Euy 或Ca1-z AlSiN3 :Euz ，其中，且。在該螢光粉組成物中，該黃綠光螢光粉與該紅光螢光粉之比例並無限制，可介於99:1至1:99的範圍內(例如可為1:1)，可依實際需求(所需之白光發光二極體裝置的色座標及色溫)及螢光粉之性質加以調控。
此外，根據本發明其他實施例，本發亦提供一種白光發光二極體裝置，包含：一藍光發光二極體晶片；以及本發明所述之螢光粉組成物，該螢光粉組成物係配置於該藍光發光二極體晶片上。請參照第1圖，該白光發光二極體裝置100具有一藍光發光二極體晶片102作為激發光源，而藍光發光二極體晶片102係配置於一導線架104上。該藍光發光二極體晶片之發光波長可介於400-480nm，較佳係介於450-455nm。一混合有螢光組成物106之透明樹脂108包覆該藍光發光二極體晶片102。以及一封裝材110用以封裝該藍光發光二極體晶片102、導線架104、及透明樹脂108。請注意，上述之白光發光二極體裝置之配置方式及示意圖僅為本發明眾多實施方式之一例，但本發明並非限定於此等實施例，一熟知此技藝之人士當可依據上述教示並參的現有之技術加以修改及潤飾，在不超脫本發明之申請專利範圍作適當之修飾或變更皆屬於本發明之範圍。
以下藉由下列製備例及實施例來說明本發明所述之螢光粉、螢光組合物及白光發光二極體裝置，用以進一步闡明本發明之技術特徵。
於以下之製備例中，將分別說明Lu3-x Al5 O12 :Cex 、Sr2-y Si5 N8 :Euy 與Ca1-z AlSiN3 :Euz 化合物配方與製備過程，其中x組成之範圍為()，y組成之範圍為(0.5)，z組成之範圍為()，以下製備例中選擇x=0.05，y=0.1，z=0.1，其製作方法如下：
【製備例1】 螢光粉Lu2.95 Al5 O12 :Ce0.05 之製備
使用之原料包含：Lu2 O3 、Ce(NO3 )3 ‧6H2 O與Al(NO3 )3 ‧9H2 O。稱取適當原料於研缽均勻混合研磨後，再置於1000℃空氣氣氛下煆燒24小時，可得淺黃色產物。上述之產物於研缽再次研磨均勻後，再置於1500℃空氣氣氛下燒結24小時，得淺黃色之粉末；為使其發光中心Ce4+ 還原至Ce3+ ，再將此粉體於1500℃還原氣氛[N2 /H2 (5%)]燒結12小時，方得最後之產物Lu2.95 Al5 O12 :Ce0.05 黃綠光螢光粉。
【製備例2】 螢光粉Sr1.9 Si5 N8 :Eu0.1 之製備
分別以氮化鍶(SrN)、氮化矽(Si3 N4 )與氮化銪(EuN)作為起始原料，因其對空氣與水氣敏感，故須於手套箱中進行秤取與研磨，將均勻混合後之原料置於Mo坩鍋中，接著迅速置於高溫爐中，其須先完成抽真空並充入高純度氮氣之步驟三次，於還原氣氛下(10% H2 /90% HP-N2 )加熱至1400℃進行燒結8小時，再冷卻至室溫，即可得最終產物Sr1.9 Si5 N8 :Eu0.1 紅色螢光粉。
【製備例3】 螢光粉Ca0.9 AlSiN3 :Eu0.1 之製備
分別以氮化鈣(Ca3 N2 )、氮化鋁(AlN)、氮化矽(Si3 N4 )與氮化銪(EuN)作為起始原料，因其對空氣與水氣敏感，故須於手套箱中進行秤取與研磨，將均勻混合後之原料置於鉬(Mo)坩鍋中，再將之放於石墨坩鍋內，避免粉末直接與石墨發生作用，發生碳化作用後汙染產物。接著，將坩鍋置於氣壓燒結用之高溫爐中，先將高溫爐抽真空，利用機械馬達抽高真空至5.4*10-1 Pa，再以10大氣壓之氮氣氣氛，於1800℃進行燒結2小時，冷卻至室溫，即可得最終產物Ca0.9 AlSiN3 :Eu0.1 紅色螢光粉。
接著，對根據上述製備例1及2以固態合成法所製備之Lu3-x Al5 O12 :Cex (x=0.05)與Sr2-y Si5 N8 :Euy (y=0.1)樣品及根據上述製備例3以高壓合成法製備之Ca1-z AlSiN3 :Euz (z=0.1)樣品進行X光粉末繞射圖譜鑑定其晶相純度，其結果如第2圖所示。由圖可知，本發明所製備例所合成之三個螢光粉化合物均為純相。
將上述製備例所得之黃綠光螢光粉分別與所得之兩個紅色螢光粉混合得到不同之螢光粉組成物，並將所得之螢光粉組成物進一搭配藍光發光二極體晶片量測其光學性質，其步驟及結果詳述於以下之實施例：
【實施例1】 白光發光二極體裝置(1)之製備
將一藍光發光二極體晶片(發光波長為460nm)，搭配製備例1所得之黃綠光螢光粉Lu2.95 Al5 O12 :Ce0.05 與製備例2所得之紅色螢光粉Sr1.9 Si5 N8 :Eu0.1 之相對比例為3:2，得到白光發光二極體裝置(1)。接著，量測該白光發光二極體裝置(1)之放光光譜，如第3圖所示。如圖所示，所得之放光光譜圖為一白光放光光譜，具有極高之演色性(演色性為92)，及高的色溫(色溫為5641K)。將放射光譜之數據以1931年由國際照明委員會(Commission International de 1，Eclairage，CIE)所制定之色度座標圖(Chromaticity diagram)之公式換算成各螢光體所代表之色度座標，其位置屬白光之座標位置(0.3290，0.3601)，如第4圖○所示之位置(Δ所示之位置為純白光)。
【實施例2】 白光發光二極體裝置(2)之製備
將一藍光發光二極體晶片(發光波長為460nm)，搭配製備例1所得之黃綠光螢光粉Lu2.95 Al5 O12 :Ce0.05 與製備例2所得之紅色螢光粉Ca0.9 AlSiN3 :Eu0.1 ，其相對比例為3:2，得到白光發光二極體裝置(2)。接著，量測該白光發光二極體裝置(2)之放光光譜，如第5圖所示。如圖所示，所得之放光光譜圖為一白光放光光譜，具有極高之演色性(演色性為92)，及高的色溫(色溫為6839K)。將放射光譜之數據以1931年由國際照明委員會(Commission International de 1，Eclairage，CIE)所制定之色度座標圖(Chromaticity diagram)之公式換算成各螢光體所代表之色度座標，其位置屬白光之座標位置(0.3039，0.3443)，如第4圖□所示之位置(Δ所示之位置為純白光)。
【實施例3】 熱穩定度測試
將一本發明製備例1所得之Lu2.95 Al5 O12 :Ce0.05 與目前市面上所販售的螢光粉Y3 Al5 O12 :Ce(YAG:Ce)，進行熱穩定度測試，即在不同溫度下量測其發光強度，其結果如第6圖所示。由圖可知，本發明所使用之螢光粉與目前市面上所販售的螢光粉Y3 Al5 O12 :Ce(YAG:Ce)相比具有較佳之熱穩定度，因此在本發明係以Lu3-x Al5 O12 :Cex 來取代Y3 Al5 O12 :Ce作為黃綠色螢光粉。
根據上述，本發明以Lu3-x Al5 O12 :Cex 搭配本發明所揭示之紅色螢光粉Sr2-y Si5 N8 :Euy 或Ca1-z AlSiN3 :Euz 作為螢光粉組成物，再搭配藍光發光二極體晶片來激發，除了可獲得具有較高熱穩定度之白色光發光二極體裝置外，所得之白色光發光二極體裝置也具有較高之演色性，可廣泛的應用於指示裝置(例如：交通號誌、儀器的指示燈)、背光源(例如：儀表板、顯示器的背光源)、或是照明裝置(例如：路燈、室內燈、戶外大型照明器具)。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．白光發光二極體裝置
102．．．藍光發光二極體晶片
104．．．導線架
106．．．螢光材料
108．．．透明樹脂
以及
110．．．封裝材
第1圖係根據本發明一實施例所述之螢光發光裝置的剖面示意圖。
第2圖係本發明製備例1-3所述之螢光粉其X光繞射圖譜。
第3圖係本發明實施例1所述之白光發光二極體裝置(1)其放光光譜。
第4圖係本發明實施例1及2所述之白光發光二極體裝置(1)及(2)其相對應的色度座標(CIE)圖。
第5圖係本發明實施例2所述之白光發光二極體裝置(2)其放光光譜。
第6圖係本發明所述之螢光粉Lu2.95 Al5 O12 :Ce0.05 與目前市面上所販售的螢光粉Y3 Al5 O12 :Ce(YAG:Ce)的熱穩定度比較。
100．．．白光發光二極體裝置
102．．．藍光發光二極體晶片
104．．．導線架
106．．．螢光材料
108．．．透明樹脂
110．．．封裝材

Claims (14)

  1. 一種螢光粉組成物，適合搭配藍光發光二極體晶片，包含：一黃綠光螢光粉，該黃綠光螢光粉具有化學式結構為Lu3-x Al5 O12 :Cex ，其中；以及一紅光螢光粉，該紅光螢光粉具有化學式結構為Sr2-y Si5 N8 :Euy 或Ca1-z AlSiN3 :Euz ，其中，且0<。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之螢光粉組成物，其中所搭配之藍光發光二極體晶片的發光波長介於400-480nm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之螢光粉組成物，搭配藍光發光二極體晶片可獲得演色性大於90之白光發光二極體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之螢光粉組成物，其中該黃綠光螢光粉與該紅光螢光粉之比例係介於99:1至1:99之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之螢光粉組成物，其中該黃綠光螢光粉Lu3-x Al5 O12 ：Cex 之熱穩定性係優於Y3 Al5 O12 :Ce(YAG:Ce)螢光粉。
  6. 一種白光發光二極體裝置，包含：一藍光發光二極體晶片；以及一螢光粉組成物，配置於該藍光發光二極體晶片上，其中該螢光粉組成物包含：一黃綠光螢光粉，該黃綠光螢光粉具有化學式結構為Lu3-x Al5 O12 :Cex ，其中；以及一紅光螢光粉，該紅光螢光粉具有化學式結構為Sr2-y Si5 N8 :Euy 或Ca1-z AlSiN3 :Euz ，其中，且 。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之白光發光二極體裝置，其中該藍光發光二極體晶片之發光波長介於400-480nm。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之白光發光二極體裝置，其中該白光發光二極體裝置之演色性可達90以上。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之白光發光二極體裝置，其中該白光發光二極體裝置係應用於一指示裝置。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之白光發光二極體裝置，其中該指示裝置係為一交通號誌、或一儀器的指示燈。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之白光發光二極體裝置，其中該白光發光二極體裝置係應用於一背光源。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之白光發光二極體裝置，其中該背光源係為一儀表板的背光源、或一顯示器的背光源。
  13. 如申請專利範圍第6項所述之白光發光二極體裝置，其中該白光發光二極體裝置係應用於一照明裝置。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之白光發光二極體裝置，其中該照明裝置係為一路燈、室內燈、或戶外大型照明器具。
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