CN101872818B

CN101872818B - 喷涂一荧光材料至一发光元件的方法

Info

Publication number: CN101872818B
Application number: CN2009101376393A
Authority: CN
Inventors: 赖沛汝; 陈定和; 林瑜平; 陈致源; 张文吉
Original assignee: Kismart Co ltd
Current assignee: Hermes Epitek Corp
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-04-27
Also published as: CN101872818A

Abstract

本发明涉及一种喷涂一荧光材料至一发光元件的方法，通过调整多个容器间的压力差来控制荧光粉浆料在容器间的流动，以及雾化该荧光粉浆料并将其喷涂于发光元件上。

Description

喷涂一荧光材料至一发光元件的方法

技术领域

本发明是有关于一种喷涂荧光材料的方法，且特别是有关于一种喷涂荧光材料至一发光元件的方法。

背景技术

发光二极管(Light Emitted Diode，LED)是一种半导体元件，在施加正向电压时，可通过电致发光效应而发出单色、不连续的光线。随着半导体材料的化学组成不同，发光二极管可发出紫外光、可见光或红外光等不同波长范围的光线。

早期发光二极管多运用于指示灯、显示板等显示装置。随着半导体技术的进展，目前已发展出多种高亮度、高质量的发光二极管装置。同时，白光发光二极管装置也被广泛地运用于显示、照明以及其它相关领域中。

相较于传统光源，白光发光二极管装置具有低耗能、效率高、寿命长、不易破损等优点，因此白光发光二极管装置被认为是21世纪的新型光源，可望取代如白炽灯和荧光灯等传统光源，而成为主要的显示/照明装置。

在制造白光LED时，必须搭配放射波长不同的荧光材料，通过混合这些不同波段的光线而达到混成白光的效果。举例来说，欲得到白光LED，可利用蓝光LED搭配黄光荧光粉或者是搭配红光荧光粉与绿光荧光粉；若是采用紫外线LED，则可搭配蓝绿红三色荧光粉。

在已知白光LED制程中，通常是将所需荧光材料和高分子粘着剂混合制成荧光胶料，而后以点胶管将荧光胶料注入杯状LED芯片座中。然而，荧光粉在荧光胶料中所占比重通常较高，使得荧光粉于胶料中的分布不易控制，而导致整颗LED发出的光线色温和/或亮度不均。上述问题在使用多种荧光粉的LED装置中尤显严重，这是因为不同种类的荧光粉密度不同，因此荧光胶料中的荧光粉会出现分层的现象。此外，进行点胶法时，同一时间仅能处理单颗LED芯片，无法进行多颗或大面积的点胶，连带使得产率低落。

因此，相关领域亟需提出一种有效率的荧光材料施覆方式，不但可提升LED装置发光的均匀度，亦能提高LED装置的产率。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种喷涂一荧光材料至一发光元件的方法，此一喷涂方法可将荧光材料快速且大面积地涂布于一发光元件上，而形成均匀的荧光粉薄层。

依据本发明一具体实施例，上述喷涂方法至少包含下述步骤。对位于至少二个相连通的容器内的荧光粉浆料施加压力，通过调节施加至容器内的压力，而使得上述容器间存在一压力差，进而可控制荧光粉浆料在该些容器间的流动。透过喷涂装置将荧光粉浆料雾化并喷涂至发光元件上。

与已知点胶法相比之下，根据本发明具体实施例利用喷涂法将荧光材料施覆至发光元件上，至少具有以下的特性。首先，点胶法一次仅能处理单一的发光元件(如LED)，而喷涂法可处理单个或多个发光元件，因而可提升产能。其次，点胶法仅适用于杯体式LED封装体，而利用喷涂法可将荧光粉浆料直接涂布于非杯体式LED封装体，例如采用铝基板、陶瓷基板或硅基板的发光元件等。再者，利用点胶法所施覆的荧光胶料会发生表面张力聚集的问题，使得荧光材料在发光元件表面的分布不均；而利用喷涂法可形成薄膜状的荧光材料，较无表面张力聚集的问题。另外，由于在进行喷涂之前或同时会使得荧光粉浆料在不同储存容器间循环流动，可减少荧光粉沉降的问题；而利用喷涂法可将不同的荧光粉浆料配方分次喷涂，也可避免不同荧光粉成份在单一流体中出现分层的问题，这些情形都使得利用喷涂法得到的荧光材料层具有较佳的均匀度。此外，通过喷嘴特别是二流体气雾化喷嘴来进行喷涂时，能够将荧光粉浆料和气体混合而形成雾化的气体，且所产生的涡流能够将荧光粉浆料均匀地喷涂于发光元件的上表面与二侧壁，将可降低不同发光部分发出不同色光的问题。

在参阅随后描述的实施方式后，本发明所属技术领域中具有通常知识者当可轻易了解本发明的基本精神及其它发明目的，以及本发明所采用的技术手段与较佳实施方式。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1绘示根据本发明一具体实施例喷涂荧光材料时所用的喷涂设备的概要附图；

图2为根据本发明一制备实例的白光LED装置的色温分布图。

【主要元件符号说明】

100喷涂设备 102第一储存槽

104、124连接管 106、118、120、126供气管

108荧光粉浆料 110喷涂装置

112腔室 114喷嘴

116阀针 122第二储存槽

128浆料入口

具体实施方式

本发明的一实施方式是在提供喷涂荧光材料的方法，举例来说，此一喷涂方法可将荧光材料快速且大面积地涂布于一发光元件如发光二极管之上，而形成均匀的荧光粉薄层。具体而言，利用上述喷涂方法可将荧光粉浆料直接涂布于单颗或多颗发光二极管的表面上表面与侧壁上。

以下参照图1，进一步描述本发明一具体实施例提出的喷涂方法。图1为一种喷涂设备的概要附图，此一喷涂设备可用以进行根据本发明具体实施例的荧光材料喷涂方法。

图1所示的喷涂设备100是一种双储存槽喷涂设备，具有相连通的第一储存槽102与第二储存槽122，第一与第二储存槽102与122透过连接管104与124相连通。喷涂设备100还包含了喷涂装置110，其包含腔室112、喷嘴114与阀针116。第一与第二储存槽102与122分别透过供气管106与126与提供压力的气源(未绘示)连接；而喷涂装置110则透过供气管118与120与提供压力的气源(未绘示)连接，上述各供气管所连接的气源可以是相同或不同的气源。本发明所属技术领域中具有通常知识者当可理解，虽然此处绘示的是双储存槽喷涂设备，本发明实施例提出的方法亦可运用具有更多储存槽的喷涂设备中。

如图1所示，荧光粉浆料108填充于相连通的第一与第二储存槽102与122以及连接管104与124内。根据本发明具体实施例的方法，可利用气源经由供气管106与126分别施加压力至第一与第二储存槽102与122；此时，上述气源可作为流速控制装置。应施加的压力大小可取决于荧光粉浆料108本身性质(如粘度或荧光粉体重量浓度)、连接管104与124的直径、所需流速、喷涂压力等因素。一般而言，适当的压力大小约为0.001MPa至约10MPa。更明确地说，适当的压力大小可为约0.001、0.01、0.1、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10MPa。

作为流速控制装置的气源可以利用一种时序开关加压装置或一种连续加压装置来产生适当的压力。在利用时序开关加压装置的情形中，适当的开启频率为每秒约1～200次，例如每秒约1、5、10、20、30、40、50、100、120、150或200次。

可进一步调节施加至第一与第二储存槽102与122内的压力，而使得上述储存槽间存在一压力差，进而控制荧光粉浆料在该些容器间流动。更详细地说，施加至第一储存槽102内的压力为P₁，而施加至第二储存槽122内的压力为P₂；若P₁大于P₂时，则荧光粉浆料108会从第一储存槽102经由连接管104朝向第二储存槽122的方向移动；反之，荧光粉浆料108会从第二储存槽122经由连接管124朝向第一储存槽102的方向移动；而若P₁与P₂时大致上相等(即，压力差为零)时，荧光粉浆料108实质上不会流动。此外，当上述压力差的差值越大时，荧光粉浆料108的流速也就越快，因此亦可通过调整压力差来控制流速；根据本发明具体实施例，适当的荧光粉浆料流速约为1～100mm/sec。更详细地说，荧光粉浆料的流速可为约1、2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90或100mm/sec。

一般而言，可利用人工或自动化的方式来进行此一调节步骤。例如，可利用定时器来设定气源开始与结束供应气体产生压力的时点。或者是，可利用软件程序透过计算机等运算装置来控制气源开始与结束供应气体产生压力的时点。此外，可预先决定该储存槽内可接受的上限液位与下限液位，并根据上述上限液位与下限液位而适时地调节荧光粉浆料的流向和/或流速。

根据本发明具体实施例提出的方法，可透过喷涂装置110将荧光粉浆料 108雾化并喷涂至发光元件(未绘示)上。根据图1所示的装置，可利用气源经由供气管118与120分别施加一雾化压力P₃以及一涡流压力P₄至喷嘴114内，其中雾化压力可让荧光粉浆料108和气体混合而产生气雾化的喷雾；而涡流压力可使得气雾化的荧光粉浆料形成一向下喷射的涡流；从而可将气雾化的荧光粉浆料喷涂至发光元件上。

更具体而言，可利用二流体气雾化喷嘴来实践上述雾化与喷涂步骤。当荧光粉浆料通过阀针116而进入二流体气雾化喷嘴中时，其能够形成气雾化的喷雾并利用涡流压力将雾化的荧光粉浆料喷涂于发光元件的上表面与二侧壁，亦即可达成所谓的共形涂布(conformal coating)。

应施加的压力大小可随着于荧光粉浆料108本身性质(如粘度)、喷涂速率、喷涂面积、浆料气雾化程度以及涡流强度等因素而加以调整。一般而言，适当的压力大小约为0.01MPa至约20MPa。举例来说，上述压力大小可为约0.01、0.05、0.1、0.5、1、5、10、15或20MPa。根据本发明具体实施例，P₃与P4的数值可以相同或不同。

另外，单位时间中荧光浆料的喷涂量会受到多种条件的影响，上述条件可能包括但不限于，施加至第一与第二储存槽102与122内的压力和/或压力差、阀针116开启的高度和/或频率以及涡流压力等。

当喷涂装置110未进行喷涂时，阀针116会顶住浆料入口128，而使得荧光粉浆料108不会从连接管104或124进入浆料入口128，然而荧光粉浆料108仍可在第一与第二储存槽102、122间循环流动。当喷涂装置110要进行喷涂时，可提高阀针116使其不再顶住浆料入口128，此时荧光粉浆料108即可由连接管104或124进入浆料入口128，进而透过喷嘴114进行喷涂。

可利用各种已知的手段，来控制阀针116的开启与关闭；举例来说，可利用一加压装置来改变施加于阀针116上的压力，借以控制阀针116开启的高度与频率；或者是，可利用电磁阀来控制阀针116的开启高度与频率。此外，在较佳的情形中，亦可利用脉冲控制装置来控制阀针116的开启与关闭，且适当的脉冲频率为每秒约1、5、10、20、30、40、50次。当然，亦可使用其它适当的开启构件，来控制阀针116的开启高度与频率，进而控制荧光粉浆料的喷涂速度与喷涂量。

根据本发明具体实施例提出的方法，当荧光粉浆料108在储存槽102、122 与连接管104、124间流动时，可同时进行喷涂步骤。另一方面，当荧光粉浆料108并未出现过量沉淀且质量良好的情形下，亦可先停止荧光粉浆料108在储存槽102、122与连接管104、124间的流动，然后再进行喷涂步骤。

此外，在进行上述喷涂步骤时，可依需求另行加热正在进行喷涂的发光元件，以使得在喷涂步骤中可同时干燥喷涂于发光元件上的荧光粉浆料，避免因流量过大所造成表面张力聚集的问题。如此一来，可进一步提升发光元件上荧光粉浆料分布的均匀性。

根据本发明具体实施例提出的方法，可针对单颗或多颗发光二极管表面进行喷涂，而在上述发光二极管的上表面与二侧壁上形成一均匀的荧光粉薄层。

可重复进行上述喷涂步骤，直到发光元件上形成的荧光材料厚度或重量达到所需程度为止；举例来说，可重复喷涂直到喷涂于发光元件上的荧光粉浆料的厚度约为3～10μm为止。

再者，当进行多次喷涂时，可采用不同配方的荧光粉浆料来进行喷涂；更详细地说，在第一次喷涂时可以使用放射波长主要为红光波段的荧光粉体，而在第二次喷涂时就可以采用放射波长主要为绿光波段的荧光粉体。以上所述仅为例示，本发明所属技术领域中具有通常知识者当可依需求调整所使用的荧光粉体种类。

根据先前技术以点胶法来施覆荧光材料时，需将荧光材料和高分子粘着剂混合制成荧光胶料；然而此种荧光胶料无法用于本发明具体实施例提出的喷涂方法。因此，本发明亦提出了适用于上述喷涂方法的荧光粉浆料组成。

根据本发明具体实施例，上述荧光粉浆料组成至少包含荧光粉体、聚合物以及溶剂，且荧光粉浆料的粘度约为0.1～200cps。具体而言，适用于上述方法的荧光粉浆料的浓度可为约0.1、0.5、1、2、5、10、20、50、80、100、120、150、180或200cps。

根据本发明具体实施例，可利用任何适当的荧光粉体，只要其能够受到LED发出的光线激发而发射出具备所想发射波长的光线即可。具体而言，当利用蓝光LED芯片或紫外光LED芯片来制备白光LED装置时，所用的荧光粉体的可激发波长约为250～500nm；而发射波长约为500～600nm。此外，上述荧光粉体的粒径大小约为3～40μm。

举例来说，适当的荧光粉体可以是铝氧化物荧光粉(如钇铝石榴石化物(Y₃Al₅O₁₂:Ce)荧光粉或铽铝石榴石化物(Tb₃A₁₅O₁₂:Ce)荧光粉)、硅氧化物荧光粉(如锰掺杂硅酸锌化物(Mn-doped Zn₂SiO₄)荧光粉)、氮化物荧光粉(如(Ca，Sr，Ba)_xSi_yN_z:Eu荧光粉)或氮氧化物荧光粉(如铕活化氮氧化物荧光粉)。

制备荧光粉浆料组成时，可用的聚合物可以是硅酮基聚合物(silicone base)、硅氧烷基聚合物(siloxane base)、溶凝胶混聚物(sol-gel hybrid base)、环氧基聚合物、硅环氧混聚物(silicone-epoxy hybrid)或上述的任意组合。

可以根据所需的荧光粉体量或所需的荧光粉浆料粘度等特性，而改变荧光粉浆料组成份的配比，其中荧光粉体与聚合物的重量比约为10∶1至1∶10间，例如约10∶1、10∶1.5、10∶2、10∶3、10∶5、10∶8、1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶4、1∶5、1∶8或1∶10。此外，荧光粉体与聚合物占整个荧光粉浆料的重量百分比约为5～-95％，更详细地说，上述重量百分比可为约5％、10％、15％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％。聚合物占整个荧光粉浆料的重量百分比约为5～70％，如约5％、10％、15％、20％、30％、40％、50％、60％或70％，且较佳为20～40％。

荧光粉浆料组成中所含的溶剂可以是C3酮类(如丙酮)或C4酮类(如甲乙酮)、具有至少一卤素取代基的C1-C4直链烷类、C5-C7直链烷类(如正庚烷)、C5-C6环烷类、C1-C4直链烷醇类、C2-C4醚类、醋酸乙酯、苯类(如甲苯、二甲苯或二甲苯的结构异构物)、乙腈、四氢呋喃、石油醚、含氟溶剂、硅酮溶剂或上述的任意组合。

根据本发明具体实施例，更可依需求于荧光粉浆料组成中加入添加剂。一般而言，添加剂可帮助荧光粉浆料悬浮及稳定或增加其发光亮度。举例来说，上述添加剂可以是增稠剂、抗沉剂、增亮剂或平坦剂。

下文提出一制备实例，其是根据上述本发明具体实施例提出的荧光粉浆料组成来制备荧光粉浆料，并根据上述喷涂方法将该荧光粉浆料喷涂于一蓝光LED芯片(Cree，型号：Blue C460-EZ1000；启动电压2.9-3.8V，350mA；芯片尺寸LxWxH＝980x980x100微米)上。

制备实例1

将8克硅树脂(ShinEstu，KER2500，A、B双剂型，A剂∶B剂＝1∶1(各4克))倒入100毫升样品瓶中，加入32克甲苯溶剂于室温下搅拌一小时。其后，将12克YAG荧光粉(型号：YAG 4-3-2)加入上述硅树脂溶液中并搅拌两小时，即可得到本发明具体实施例提出的荧光粉浆料，此一浆料粉浆料的粘度约为10cps。

将上述荧光粉浆料平均地加入图1所示的喷涂设备100的第一储存槽102与第二储存槽122中，并利用气源经由供气管106与126分别施加压力至第一与第二储存槽102与122，以控制荧光粉浆料于其中的流动。

举例来说，当欲使荧光粉浆料由第一储存槽102进入第二储存槽中时，可控制气源施加的压力，使得P₂小于P₁。而当第一储存槽102中的荧光粉浆料存量低于预定的下限液位或者是第二储存槽122中的荧光粉浆料存量高于预定上限液位时，可控制荧光粉浆料使其改由第二储存槽122流入第一储存槽102。或者是，亦可在其它适当的时机，利用本发明具体实施例提出的方法来调节荧光粉浆料的流向或流速。上述加压与调节步骤可视需要重复进行。

当喷涂步骤开始时，将阀针116以约200微米的高度开启，并以每秒约10次的开启频率进行开关动作以供给浆料至喷嘴114，而阀针116每次开启时间为20毫秒。根据本制备实例，在进行上述喷涂步骤的同时，仍然利用前述调节手段，使得荧光粉浆料在第一与第二储存槽102、122间循环流动。

喷涂时，将喷嘴114设置于距离LED芯片约9公分处，利用气源透过供气管118施加约0.2MPa的压力至喷嘴114内部，以使得喷出的荧光粉浆料可和气体混合而雾化，并透过供气管120施加约0.2MPa的喷出压力。在本制备实例中，喷涂速度约为60mm/sec。重复进行上述喷涂动作，直到LED芯片表面的荧光粉体及硅树脂负载量达每平方公分4mg为止。

图2为根据本制备实例制得的白光LED装置的色温分布图，显示了上述白光LED装置不同角度发出的光线的色温。由图2可以发现，上述白光LED装置在180度的发光面中，发出的光线色温皆在约6400-6700K之间。由此可知，根据本发明提出的方法，能够将荧光材料均匀地施覆于发光元件的上表面与二侧壁。

本发明上述具体实施例提出的喷涂方法可有效降低喷涂时飞溅的材料量，在实际运用上，本发明具体实施例提出的喷涂方法的材料利用率高达约95％。如此一来，将可减少材料的浪费进而降低成本。此外，当利用脉冲式流量控制系统进行供料时，荧光粉浆料的涂布流量较低，可有效提高材料的转印率。再者，上述喷涂法可将荧光材料涂布至发光元件的上表面与二侧壁上，而非仅限于发光元件的上表面；如此一来，发光元件的整个发光部分皆可发出一致且均匀的色光。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种喷涂一荧光材料至一发光元件的方法，其特征在于，该方法至少包含：

调节至少二连通的容器间的一压力差，其中该些容器内含有一荧光粉浆料，借此控制该荧光粉浆料在该些容器间的流动；以及

雾化该荧光粉浆料并喷涂于该发光元件上，其中利用一喷涂装置来进行该喷涂。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该发光元件为一波长介于250-500nm的发光二极管。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在该调节压力差的步骤中，施加至该些容器内的二压力分别为0.001MPa至10MPa。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该雾化及喷涂步骤是通过施加一雾化压力与一涡流压力来进行，使得该荧光粉浆料可被喷涂于该发光元件的一上表面与二侧壁。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该雾化压力与该涡流压力是施加至该喷涂装置内部，且其压力值分别为0.01MPa至20MPa。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该雾化压力与该涡流压力的压力值不同或相同。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该荧光粉浆料的一流速为1～100mm/sec。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行该喷涂步骤时，加热该发光元件的一上表面。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当进行该喷涂步骤时，该荧光粉浆料在该些容器间流动或该荧光粉浆料停止在该些容器间流动。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该喷涂步骤可重复进行，且其中可利用该相同的荧光粉浆料或至少另一种荧光粉浆料重复进行该喷涂步骤。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该喷涂装置至少包含一阀针开启构件，且其中该阀针开启构件包含一连续式控制构件或一脉冲式控制构件。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该脉冲式控制构件提供的一开启频率为每秒1～200次。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该荧光粉浆料的一粘度为0.1～200cps。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该荧光粉浆料至少包含一荧光粉体、一聚合物以及一溶剂。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该荧光粉体与该聚合物的一重量比为10∶1至1∶10。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该荧光粉体与该聚合物占该荧光粉浆料的重量百分比为5～95％。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该荧光粉体为一铝氧化物荧光粉、一硅氧化物荧光粉、一氮化物荧光粉、一氮氧化物荧光粉或其组合。

18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该荧光粉体的一粒径大小为3～40μm。

19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该聚合物为一硅酮基聚合物、硅氧烷基聚合物、溶凝胶混聚物、环氧基聚合物、硅环氧混聚物或其组合。

20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该溶剂为C3-C4酮类、具有至少一卤素取代基的C1-C4直链烷类、C5-C7直链烷类、C5-C6环烷类、C1-C4直链烷醇类、C2-C4醚类、醋酸乙酯、苯类、乙腈、四氢呋喃、石油醚、含氟溶剂、硅酮溶剂或其组合。

21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该聚合物占该荧光粉浆料的重量百分比为5～70％。

22.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该荧光粉浆料至少还包含一增稠剂、一抗沉剂、一增亮剂、平坦剂或其组合。