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TWI462991B - 使用於磷光體轉換發光二極體之由經摻雜石榴石所構成之磷光體 - Google Patents

使用於磷光體轉換發光二極體之由經摻雜石榴石所構成之磷光體 Download PDF

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TWI462991B
TWI462991B TW097107946A TW97107946A TWI462991B TW I462991 B TWI462991 B TW I462991B TW 097107946 A TW097107946 A TW 097107946A TW 97107946 A TW97107946 A TW 97107946A TW I462991 B TWI462991 B TW I462991B
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溫克勒 豪格
瓦斯格尼 提姆
約舒泰 湯瑪斯
莫勒 史帝芬妮
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馬克專利公司
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Description

使用於磷光體轉換發光二極體之由經摻雜石榴石所構成之磷光體
本發明係關於由Th4+ 、Sb3+ 、Ir3+ 及/或Bi3+ 共摻雜之石榴石組成的磷光體、其製備及其作為LED轉換磷光體用於白光LED或所謂的按需取色應用之用途。
按需取色概念意謂藉助於使用一或多種磷光體之pcLED(=磷光體轉換LED)產生特定色點之光。使用此概念以(例如)產生某些公司設計，例如發光式公司標誌、商標等。
具有石榴石結構之習知磷光體(諸如純YAG: Ce或其衍生物)在尤其高功率LED中使用時並不呈現最佳的光譜學性質。此論述之理由如下：․磷光體表面使大部分初輻射散射，意謂磷光體無法吸收此部分；․離子(尤其活化劑離子)在磷光體顆粒中之不均勻分布導致內部量子產率減小；․<300 nm之小單晶尺寸導致表面效應起主導作用：一方面，表面上存在之瑕疵引起晶格中之無輻射復合，而另一方面，靠近表面的活化劑離子存在於晶格之非均一晶場中且無法用於轉換效應或防止後者經由能量遷移到達表面，此又與無輻射復合相關。
․磷光體中所產生之螢光之特定部分無法離開磷光體，因為其在與光疏環境之界面處全反射且經由波傳導過 程在磷光體內遷移且最後經由再吸收而失去；․進入磷光體內的大部分初輻射無法被吸收，因為磷光體因其激發態之長壽命(衰變時間τ1/e YAG: Ce=63-67ns，視Ce3+ 濃度而定，參見Weber M.J., Solid State commun. (1973)12, 741)而飽和。
EP-0142 931揭示一種視覺顯示器設備，其中使用具有石榴石結構之磷光體，且基板材料大體上具有Y3 Al5 O12 組成。
EP-1095 998揭示一種具有A3 B5 O12 :(Ce, Pr)組成之磷光體，其中A為來自Y、Tb、La及/或Lu之群的稀土金屬，且B表示Al及/或Ga。
WO 2005/061659描述一種具有A3 B5 O12 (Ce, Pr, Eu)型之石榴石結構的磷光體，其中A=稀土金屬且B=Al、Ga，其中組分B中之一些已經Si置換。
目前用於含有發藍光晶片作為初輻射之白光pcLED的磷光體主要為YAG: Ce3+ 或其衍生物，或亦為經Eu2+ 摻雜的正矽酸鹽(Ca, Sr, Ba)2 SiO4 。如下藉由固態擴散方法(亦稱為"混合及燒製'')製備磷光體：將粉末形式之氧化性起始材料混合，研磨該混合物且接著將該混合物於烘箱中、在高達1700℃之溫度下、在視需要還原性氣氛下煅燒長達數天。此舉得到關於形態、粒徑分布及發光活化劑離子在基質體積中之分布具有不均一性之磷光體粉末。此外，藉由傳統方法所製備之該等磷光體的形態、粒徑分布及其他性質僅可不良地調節且難以重現。因此，該等顆粒具有多種缺 點，詳言之，諸如由該等具有非最佳及非均一形態及粒徑分布之磷光體對LED晶片形成非均一塗層，其因散射而導致高損耗過程。由於以下事實，在該等LED之產生中出現其他損耗：LED晶片之磷光體塗層不僅不均一，且無法由LED再生為LED。此導致由pcLED(甚至在一批次中)所發射之光的色點發生變化。此使得LED之複雜揀選方法(所謂的分級)成為必要。
因此，本發明之目的係提供用於白光LED或用於按需取色應用之轉換磷光體，其並不具有一或多個上文已提及之缺點且產生暖白光。
驚人地，由於轉換磷光體由經鈰活化之Th3+ 、Sb3+ 及/或Bi3+ 共摻雜石榴石組成(其中較佳摻雜劑以至少100 ppm之濃度存在)而避免上文已提及之缺點，藉此可達成本發明之目的。
另一驚人效果在於：與藉由固態擴散方法所製備之非共摻雜YAG: Ce磷光體相比，本發明之磷光體具有較高之發光強度(比較圖1及2)。
因此，本發明係關於具有式I之石榴石結構之磷光體：(Ya ,Gdb ,Luc ,Sed ,Sme ,Tbf ,Prg ,Thh ,Iri ,Sbj ,Bik )3-x (All ,Gam )5 O12 :Cex 　　　(I)其中：a+b+c+d+e+f+g+h+i+j+k=1，l+m=1，且 x=0.005至0.1。
本文中之石榴石結構亦自然地意謂基於與石榴石之理想情形稍微不同之瑕疵或晶格缺陷的結構，只要此晶體保持典型石榴石結構。典型石榴石結構通常意謂A3 B5 O12 :D，其中A=稀土金屬(RE);B=Al、Ga；且D=置換RE之活化劑，諸如鈰。
鈰之摻雜濃度較佳介於0.5與10重量%之間。尤其較佳介於2.0與5.0重量%之間，且最佳介於3.0與3.5重量%之間。在介於3.0與3.5%之間的鈰濃度下，通常出現增加之吸收及因此增加之光產率或較大之磷光體亮度。較高之鈰濃度會使量子產率降低且從而又使光產率降低。
式I之發光材料之吸收及發射光譜、熱淬火行為及衰變時間τ1/e 高度取決於三價陽離子之精確組成。上文已提及光譜性質之關鍵因素為Ce3+ 之十二面體方位的晶場強度或Ce-O鍵之共價特性，亦即氧陰離子之有效負電荷及陰離子與金屬軌道之重疊。
一般而言，可觀測到隨著晶場強度增加或共價特性增強，Ce3+ 發射帶([Xe]5d1 →[Xe]4f1 躍遷)偏移至紅光光譜區內。因此，上式I之組合物或經富電子("可易於氧化")三價陽離子摻雜之組合物產生沿此方向受影響的光譜性質。
尤其青睞式I之磷光體，其中式I化合物為選自式II至式IV化合物之化合物：(Y1-x-y Cex Sby )3 Al5 O12 ，其中0.005x0.1且0.001y0.005　　　(II); (Y1-x-y Cex Biy )3 Al5 O12 ，其中0.005x0.1且0.001y0.005　　　(III); (Y1-x-y Cex Thx )3 Al5 O12 ，其中0.005x0.1且0.001y0.005　　　(IV)。
石榴石結構中之一或多種組分Bi、Sb或Th之比例的增加使本發明磷光體之發射波長向紅光偏移。此對於產生暖白光尤為重要。為產生具有高顏色重現性之舒適光，最好使用不同磷光體之混合物，即綠光偏移磷光體(諸如Y3 (Al, Ga)5 O12 )與本發明磷光體及紅光磷光體(例如，可提供高流明當量之紅光帶或紅光譜線發射極，諸如摻雜銪之鎢酸鹽、鉬酸鹽及/或磷酸鹽)之混合物。此外，亦可將藍光-綠光磷光體混雜，諸如Lu3 Al5 O12 :Ce(LUAG: Ce)。此產生與太陽之VIS日光光譜極其類似之近似連續發射光譜。
本發明磷光體之粒徑介於50 nm與30 μm之間，較佳介於1 μm與20 μm之間。
在另一實施例中，式I之磷光體可另外包含以下磷光體材料中之至少一種其他材料：具有一或多種活化劑離子(諸如Ce、Eu、Mn、Cr及/或Bi)之各單獨氧化物、鉬酸鹽、鎢酸鹽、釩酸鹽、III族氮化物、(氧基)氮化物，或其混合物。
若欲建立特定色空間，則此尤為有利。
在另一較佳實施例中，磷光體在LED晶片之對面具有結構化(例如錐狀)表面(參見DE 102006054330.0, Merck，其以全文引用方式併入本申請案之上下文中)。此致能儘可能多的光耦離磷光體。
磷光體上之結構化表面係藉由隨後用已經結構化之適當材料塗覆而產生，或在後續步驟中藉由(光)微影方法、蝕刻方法或藉由使用能束或材料束或機械力作用之寫入方法而產生。
在另一較佳實施例中，本發明之磷光體在LED晶片之對面具有粗糙表面，該粗糙表面攜有SiO2 、TiO2 、Al2 O3 、ZnO2 、ZrO2 及/或Y2 O3 之奈米顆粒或該等材料之組合或包含磷光體組合物之顆粒之組合。本文中之粗糙表面具有高達數百奈米之粗糙度。經塗覆表面之優點在於可減少或防止全反射且可使光較佳地耦離本發明之磷光體(參見DE 102006054330.0(Merck)，其以全文引用方式併入本申請案之上下文中)。
此外，本發明之磷光體較佳在朝向遠離晶片之方向的表面具有折射率經調適之層，其簡化初輻射及/或磷光體元件所發射之輻射的耦離。
在另一較佳實施例中，磷光體具有由SiO2 、TiO2 、Al2 O3 、ZnO、ZrO2 及/或Y2 O3 或其混合氧化物組成之連續表面塗層。此表面塗層之優點在於可經由塗層材料折射率之適當分度來實現折射率對環境之適應。在此情況下，磷光體表面上光之散射減少且較大比例之光可穿透至磷光體中且於其中經吸收且轉換。此外，折射率經調適之表面塗層因全內反射減少而致能較多之光耦離磷光體。
此外，若磷光體必須經封裝，則連續層為有利的。此可為必需的，以抵消磷光體或其部分對徑直鄰近之擴散水或 其他材料之敏感性。用連續外鞘封裝之另一原因為實際磷光體因晶片中所形成之熱而熱解耦。此熱導致磷光體之螢光產率減小且亦可影響螢光顏色。最終，此類型之塗層藉由防止形成於磷光體中之晶格振動傳播至環境內而致能磷光體之效率增加。
此外，磷光體較佳具有由SiO2 、TiO2 、Al2 O3 、ZnO、ZrO2 及/或Y2 O3 或其混合氧化物組成或由磷光體組合物組成之多孔表面塗層。該等多孔塗層為進一步降低單層之折射率提供可能性。
此類型之多孔塗層可藉由如WO 03/027015(其以全文引用方式併入本申請案之上下文中)中所述之三種習知方法而產生：蝕刻玻璃(例如鹼石灰玻璃(參見US 4019884))；塗佈多孔層；及多孔層與蝕刻方法之組合。
在另一較佳實施例中，磷光體具有攜有促進與環境化學鍵結之官能基之表面，其較佳由環氧或聚矽氧樹脂組成。該等官能基可為(例如)經由側氧基鍵結且能夠與基於環氧化物及/或聚矽氧之黏結劑組分形成鍵聯的酯或其他衍生物。此類型表面之優點在於促進將磷光體均勻混合於黏結劑中。此外，磷光體/黏結劑系統之流變學性質以及適用期可因此在某種程度上經調節。因此，使混合物之處理簡化。
由於塗佈於LED晶片上之本發明磷光體層較佳由聚矽氧與均勻磷光體顆粒之混合物組成且聚矽氧具有表面張力，因此該磷光體層在顯微水準下不均一，或層厚度並非始終 恆定。
此外，本發明亦係關於可如下獲得之具有石榴石結構之磷光體：藉由濕式化學方法及後續熱後處理將含鋁、含釔及含鈰之起始材料與至少一種含銻、含鉍、含銥及/或含釷之共摻雜劑及視需要其他含釓、含鑥、含硒、含釤、含鋱、含鐠及/或含鎵之材料混合。
如上所述，用於製備磷光體之起始材料由基質材料(例如鋁、釔及鈰之鹽溶液)及至少一種含Sb、含Bi、含Ir或含Th之摻雜劑及視需要其他含Gd、含Lu、含Sc、含Sm、含Tb、含Pr及/或含Ga之材料組成。合適之起始材料為溶解及/或懸浮於無機及/或有機液體中之無機及/或有機物質，諸如金屬、半金屬、過渡金屬及/或稀土金屬之硝酸鹽、碳酸鹽、碳酸氫鹽、磷酸鹽、羧酸鹽、醇化物、乙酸鹽、草酸鹽、鹵化物、硫酸鹽、有機金屬化合物、氫氧化物及/或氧化物。較佳地使用含有具有必要化學計量比之對應元素的經混合之硝酸鹽溶液、氯化物或氫氧化物溶液。
此外，本發明亦係關於一種用於製備磷光體之方法，其具有以下方法步驟：a)藉由濕式化學方法將至少三種選自含Y、含Al、含Ce、含Gd、含Lu、含Sc、含Sm、含Tb、含Pr及/或含Ga之材料的起始材料混合，藉此製備與來自磷光體前驅物懸浮液或溶液之含Sb、含Bi及/或含Th的材料共摻雜之經鈰活化磷光體；b)對Sb、Bi及/或Th共摻雜之磷光體進行熱後處理。
濕式化學製備優於習知固態擴散方法之處一般在於製備本發明磷光體顆粒時所得之材料的化學計量組成、粒徑及形態具有較大均一性。
對於由(例如)硝酸釔、硝酸鋁、硝酸鈰及硝酸鉍溶液之混合物組成的磷光體之水性前驅物(磷光體前驅物)之濕式化學預處理而言，以下已知方法為較佳的：․用NH4 HCO3 溶液共沈澱(參見例如Jander, Blasius Lehrbuch der analyt. u. präp. anorg. Chem. [Textbook of Analyt. and Prep. Inorg. Chem.] 2002)。
․使用檸檬酸與乙二醇之溶液的Pecchini方法(參見例如Annual Review of Materials Research，第36卷：2006,281-331 )。
․使用脲之燃燒方法。
․將水溶液或有機鹽溶液(起始材料)噴霧乾燥。
․將水溶液或有機鹽溶液(起始材料)噴霧熱解。
․蒸發硝酸鹽溶液且對殘餘物進行熱轉化。
在上文已提及之共沈澱法中，將(例如)NH4 HCO3 溶液添加至相應磷光體起始材料之硝酸鹽溶液中，從而形成磷光體前驅物。
在Pecchini方法中，在室溫下將(例如)由檸檬酸與乙二醇組成之沈澱試劑添加至相應磷光體起始材料之上文已提及硝酸鹽溶液中，且隨後加熱混合物。增加黏度會引起磷光體前驅物形成。
在已知燃燒方法中，將相應磷光體起始材料之上文已提 及硝酸鹽溶液(例如)溶解於水中，接著在回流下沸騰且用脲處理，從而引起磷光體前驅物之緩慢形成。
噴霧熱解法為氣溶膠方法之一，其特徵為將溶液、懸浮液或分散液噴霧至以多種方式加熱之反應空間(反應器)內，且固體顆粒形成且沈積。與使用<200℃之熱氣溫度的噴霧乾燥相比，在作為高溫方法之噴霧熱解法中，除溶劑蒸發以外，另外發生所用起始材料(例如鹽)之熱分解及物質(例如氧化物、混合氧化物)之再形成。
上文已提及之6種方法變體詳細描述於DE 102006027133.5(Merck)中，該專利以全文引用方式併入本申請案之上下文中。
本發明之磷光體可藉由多種濕式化學方法如下製備：1)使組分均勻沈澱，接著將溶劑分離出，繼而進行單步驟或多步驟熱後處理，其中該等步驟之一可在還原性氣氛下進行；2)例如，藉助於噴霧方法將混合物精細分開，且移除溶劑，繼而進行單步驟或多步驟熱後處理，其中該等步驟之一可在還原性氣氛下進行；或3)例如，藉助於噴霧方法將混合物精細分開，且結合熱解移除溶劑，繼而進行單步驟或多步驟熱後處理，其中該等步驟之一可在還原性氣氛下進行；4)隨後塗覆藉助於方法1-3所製備之磷光體以使得折射率適應其環境。
磷光體之濕式化學製備較佳地藉由沈澱及/或溶膠-凝膠 方法進行。
在上文已提及之熱後處理中，較佳至少部分地在還原條件(例如使用一氧化碳、合成氣體(forming gas)、純氫或至少真空或缺氧氣氛)下進行煅燒。
一般而言，亦可藉由固態擴散方法製備本發明之磷光體，但該方法導致已提及之缺點。
上文已提及之方法致能待產生之磷光體顆粒具有任何所要外形，諸如球狀顆粒、薄片或結構化材料及陶瓷。
作為另一較佳實施例，薄片形式磷光體係藉由習知方法由相應金屬及/或稀土金屬鹽製備。製備方法詳細描述於EP 763573及DE 102006054331.9中，該等專利以全文引用方式併入本申請案之上下文中。該等薄片形式磷光體可如下製備：藉由在水性分散液或懸浮液中之沈澱反應，在具有極大縱橫比、原子平滑表面及可調節厚度的天然或合成產生之高度穩定的(例如)雲母薄片、SiO2 薄片、Al2 O3 薄片、ZrO2 薄片、玻璃薄片或TiO2 薄片之支撐物或基板上塗覆磷光體層。除雲母、ZrO2 、SiO2 、Al2 O3 、玻璃或TiO2 或其混合物以外，該等薄片亦可由磷光體材料自身組成，或由材料積聚而成。若薄片自身僅用作磷光體塗層之支撐物，則後者必須由來自LED之初輻射可透過的材料組成，或由吸收初輻射且將此能量傳遞至磷光體層之材料組成。將薄片形式磷光體分散於樹脂(例如聚矽氧或環氧樹脂)中，且將此分散液塗佈於LED晶片上。該等薄片形式磷光體可以50 nm至約20 μm、較佳介於150 nm與5 μm之間之厚 度以大工業規模製備。本文中之直徑為50 nm至20 μm。其一般具有1:1至400:1且尤其3:1至100:1之縱撗比(直徑與顆粒厚度之比率)。薄片尺寸(長度×寬度)視配置而定。薄片亦適用作轉換層中之散射中心，尤其當其具有特別小之尺寸時。本發明之薄片形式磷光體朝向LED晶片之表面可具備塗層，該塗層就LED晶片所發射之初輻射而言具有減反射作用。此導致初輻射之背向散射減少，從而使後者在本發明之磷光體元件中的耦接增強。
適用於達成此目的者為(例如)折射率經調適之塗層，其必須具有以下厚度d:d=[來自LED晶片之初輻射之波長/(4*磷光體陶瓷之折射率)]，參見例如Gerthsen, Physik [Physics], Springer Verlag，第18版，1995。該塗層亦可由光子晶體組成，其亦涵蓋使薄片形式磷光體之表面結構化以實現某些功能。
製備陶瓷元件形式之本發明磷光體係類似於DE102006037730(Merck)中所述之方法來進行，該專利以全文引用方式併入本申請案之上下文中。本文中之磷光體如下製備：藉由濕式化學方法將相應起始材料及摻雜劑混合，隨後均衡壓縮混合物且將混合物以均勻、薄且無孔之薄片形式直接塗佈至晶片表面。因此，磷光體之激勵及發射並未發生位置依賴性變化，使得隨其所提供之LED發射具有恆定顏色的均勻光錐且具有高發光功率。例如，陶瓷磷光體元件可以數百奈米至約500 μm厚度之薄片形式以大工業規模產生。薄片尺寸(長度×寬度)視配置而定。在直 接塗佈於晶片上之情況下，薄片尺寸應根據晶片尺寸(約100 μm*100 μm至若干mm2 )加以選擇，在合適晶片配置(例如覆晶配置)或相應的情況下，晶片表面具有約10%-30%之特定過量尺寸。若將磷光體薄片安裝在成品LED之頂部，則所發射之光錐皆射中薄片。
陶瓷磷光體元件之側表面可用輕金屬或貴金屬(較佳鋁或銀)金屬化。金屬化具有使光無法自磷光體元件側向射出之效應。側向射出之光可減少自LED中耦離出之光通量。陶瓷磷光體元件之金屬化在均衡壓縮以得到桿或薄片之後的方法步驟中進行，其中必要時可在金屬化之前以所需尺寸切割桿或薄片。為達成此目的，例如用硝酸銀及葡萄糖之溶液濕潤側表面，且隨後使其在高溫下曝露於氨氣氛。在此操作期間，在側表面上形成(例如)銀塗層。或者，無電極金屬化方法亦適合，參見例如Hollemann-Wiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie [Textbook of Inorganic Chemistry], Walter de Gruyter Verlag，或Ullmanns Enzyklopädie der chemischen Technologie [Ullmann's Encyclopaedia of Chemical Technology]。有需要時，可使用水玻璃溶液將陶瓷磷光體元件固定於LED晶片之基板上。
在另一實施例中，陶瓷磷光體元件在LED晶片之對面具有結構化(例如錐狀)表面。此致能儘可能多之光耦離磷光體元件。磷光體元件之結構化表面如下產生：使用具有結構化壓板的模進行均衡壓縮且因此將結構壓印至表面內。 若目標為產生可能最薄之磷光體元件或薄片，則需要結構化表面。壓縮條件已為熟習此項技術者所知(參見J. Kriegsmann, Technische keramische Werkstoffe [Industrial Ceramic Materials]，第4章，Deutscher Wirtschaftsdienst, 1998)。重要的是，所用之壓縮溫度為待壓縮物質之熔點之2/3至5/6。
此外，本發明之磷光體可在自約410 nm延伸至530 nm、較佳自430 nm延伸至約500 nm之寬範圍內激發。因此，該等磷光體不僅適用於藉由UV或發射藍光之初始光源(諸如LED)或習知放電燈(例如，基於Hg)激發，且適用於光源，例如利用451 nm處之藍光In3+ 譜線的彼等光源。
此外，本發明亦係關於具有至少一初始光源之照明裝置，該初始光源之最大發射在410 nm至530 nm範圍內，較佳在430 nm至約500 nm範圍內，尤其較佳在440 nm至480 nm範圍內，其中初輻射藉由本發明之磷光體部分地或完全轉換為更長波長之輻射。該照明裝置較佳發射白光或發射具有特定色點之光(按需取色原則)。本發明之照明裝置之較佳實施例描繪於圖3-14中。
在本發明之照明裝置之一較佳實施例中，光源為發光性氮化銦鋁鎵，尤其具有式Ini Gaj Alk N之氮化銦鋁鎵，其中0i，0j，0k，且i+j+k=1。此類型光源之可能形式已為熟習此項技術者所知。其可為具有各種結構之發光LED晶片。
在本發明之照明裝置之另一較佳實施例中，光源為基於 ZnO、TCO(透明導電氧化物)、ZnSe或SiC之發光配置，或基於有機發光層(OLED)之配置。
在本發明之照明裝置之另一較佳實施例中，光源為呈現電致發光及/或光致發光之光源。此外，光源亦可為電漿源或放電源。
本發明之磷光體可分散於樹脂(例如環氧樹脂或聚矽氧樹脂)中，或在給定合適尺寸比之情況下可直接配置於初始光源上，或視應用而定可與其遠距配置(後一配置亦包括"遠距式磷光體技術'')。遠距式磷光體技術之優點已為熟習此項技術者所知且揭示於(例如)以下公開案中：Japanese Journ. of Appl. Phys.，第44卷，第21期(2005)。L649-L651。
在另一實施例中，介於磷光體與初始光源之間之照明裝置之光學耦合較佳地藉助於光導配置來實現。此致能初始光源安裝在中央位置且藉助於光導設備(諸如光導纖維)與磷光體光學耦聯。以此方式，可獲得與照明意願相匹配且僅由一磷光體或不同磷光體(其可經配置以形成遮光板)與光導體(其與初始光源耦聯)組成之燈。以此方式，可將強初始光源安置在有利於電學安裝之位置處且可將包含與光導體耦聯之磷光體的燈安裝在任何所要位置處而無需其他電纜架設，相反僅鋪設光導體即可。
此外，本發明亦係關於本發明之磷光體用於部分或完全轉換發光二極體之藍光或近UV光發射之用途。
此外，本發明之磷光體較佳用於將藍光或近UV光發射 轉換成可見白光輻射。此外，根據''按需取色"概念，本發明之磷光體較佳用於將初輻射轉換成特定色點。
此外，本發明亦係關於本發明之磷光體在電致發光材料(諸如電致發光膜(亦稱為發光膜或光膜))中之用途，其中將(例如)硫化鋅或Mn2+ 、Cu+ 或Ag+ 摻雜之硫化鋅用作發射極，其在黃光-綠光區中發射。電致發光膜之應用領域為：例如，廣告；液晶顯示器螢幕(LC顯示器)及薄膜電晶體(TFT)顯示器中之背光顯示；自發光性車輛牌照；地面標識(與抗壓及防滑層製品組合)；顯示及/或控制元件中(例如，在汽車、火車、船隻及飛機，或以及家用電器、庭園設備、量測儀器或運動及休閒設備中)。
以下參考多個工作實例更詳細地解釋本發明。
以下實例旨在說明本發明。然而，決不應認為其具有限制性。可用於該等組合物中之所有化合物或組分為已知的且可市購，或可藉由已知方法合成。實例中所指示之溫度始終以℃給出。此外，不言而喻，在說明以及實例中，組合物中所添加之組分的量始終總計達100%。所給之百分比數據始終應視為具有給定聯繫。然而，其通常始終關於所指示之部分量或總量之重量。
實例 實例1：藉由濕式化學方法製備磷光體(Y 0.939 Ce 0.06 Th 0.001 ) 3 Al 5 O 12
將537.6 g碳酸氫銨溶解於3公升去離子水中。將205.216 g氯化鋁六水合物、151.522 g氯化釔六水合物、3.617 g氯 化鈰六水合物及0.191 g氯化釷(IV)溶解於約400 ml去離子水中且快速地逐滴添加至碳酸氫鹽溶液中。在此添加期間，必須藉由添加濃氨水使pH值保持在pH 8。隨後，將該混合物再攪拌一小時。老化後，將沈澱物濾出且在乾燥箱中在約120℃下乾燥。
將經乾燥之沈澱物在研缽中研磨且隨後在空氣中在1000℃下煅燒4小時。隨後，將產物在研缽中再研磨且在氫氣/氬氣氛下在1700℃下煅燒8小時。
實例2：藉由濕式化學方法製備磷光體(Y 0.939 Ce 0.06 Bi 0.001 ) 3 Al 5 O 12
將537.6 g碳酸氫銨溶解於3公升去離子水中。將205.216 g氯化鋁六水合物、151.522 g氯化釔六水合物、3.617 g氯化鈰六水合物及0.161 g氯化鉍(III)溶解於約400 ml去離子水中且快速地逐滴添加至碳酸氫鹽溶液中。在此添加期間，必須藉由添加濃氨水使pH值保持在pH 8。隨後，將該混合物再攪拌一小時。老化後，將沈澱物濾出且在乾燥箱中在約120℃下乾燥。
將經乾燥之沈澱物在研缽中研磨且隨後在空氣中在1000℃下煅燒4小時。隨後，將產物在研缽中再研磨且在氫氣/氬氣氛下在1700℃下煅燒8小時。
實例3：藉由濕式化學方法製備磷光體(Y 0 . 939 Ce 0.06 Sb 0.001 ) 3 Al 5 O 12
將537.6 g碳酸氫銨溶解於3公升去離子水中。將205.216 g氯化鋁六水合物、151.522 g氯化釔六水合物、3.617 g氯化鈰六水合物及0.116 g氯化銻(III)溶解於約400 ml去離子水中且快速地逐滴添加至碳酸氫鹽溶液中。在此添加期 間，必須藉由添加濃氨水使pH值保持在pH 8。隨後，將該混合物再攪拌一小時。老化後，將沈澱物濾出且在乾燥箱中在約120℃下乾燥。
將經乾燥之沈澱物在研缽中研磨且隨後在空氣中在1000℃下煅燒4小時。隨後，將產物在研缽中再研磨且在氫氣/氬氣氛下在1700℃下煅燒8小時。
實例4：藉由混合及燒製方法(固態擴數)製備YAG： Ce(Ce摻雜濃度2%，Y 2.94 Al 5 O 12 :Ce 0.06 3+ )
稱取0.344 g二氧化鈰(CeO2 )、33.646 g氧化釔(Y2 O3 )及25.491 g氧化鋁(Al2 O3 )且用水製成漿料。使用少量水，在研缽中濕式研磨該混合物。接著，將漿料轉移至箱型爐中，在箱型爐中經6 h時期在合成氣體氣氛下在1200℃溫度下對其進行煅燒。冷卻後，再次將該材料精細研磨且經8小時時期使其在爐中在1700℃溫度下經受還原性煅燒。
實例5：藉由濕式化學方法製備YAG： Ce(Ce摻雜濃度為2%，Y 2.94 Al 5 O 12 :Ce 0.06 3+ )
將537.6 g碳酸氫銨溶解於3公升去離子水中。將205.216 g氯化鋁六水合物、153.242 g氯化釔六水合物及3.617 g氯化鈰六水合物溶解於約400 ml去離子水中且快速地逐滴添加至碳酸氫鹽溶液中。在此添加期間，必須藉由添加濃氨水使pH值保持在pH 8。隨後，將該混合物再攪拌一小時。老化後，將沈澱物濾出且在乾燥箱中在約120℃下乾燥。
將經乾燥之沈澱物在研缽中研磨且隨後在空氣中在1000℃下煅燒4小時。隨後，將產物在研缽中再研磨且在 氫氣/氬氣氛下在1700℃下煅燒8小時。
實例6至8：藉由混合及燒製方法(固態擴散)製備磷光體(Y 0.98-x Ce 0.02 Th x ) 3 Al 5 O 12 ，其中x=0.001，x=0.0025及x=0.005
稱出12.5 mmol之γ-氧化鋁Al2 O3 、7.35 mmol-x之氧化釔Y2 O3 、0.3 mmol二氧化鈰CeO2 及0.015 mmolx0.075 mmol之氧化釷ThO2 。隨後，用丙酮將起始材料製成漿料且於研缽中充分研磨。在第一煅燒步驟中，將樣品在一氧化碳下在1200℃下加熱兩小時。在研缽中進一步充分研磨之後，進行第二煅燒步驟，其中同樣在一氧化碳氣氛下在1650℃下將該批料加熱四小時。
在研缽中進行最終研磨之後，藉由X射線粉末繞射、螢光光譜學及反射光譜學表徵樣品。
1‧‧‧發光二極體/晶片
1‧‧‧半導體晶片
1‧‧‧外殼
2‧‧‧反射器
2‧‧‧電連接
2‧‧‧晶片
2、3‧‧‧電連接
3‧‧‧透鏡
3‧‧‧樹脂
4‧‧‧半導體晶片
4‧‧‧轉換磷光體
4‧‧‧轉換層
5‧‧‧擴散體
5‧‧‧具有透明樹脂之透鏡
5‧‧‧接合線
6‧‧‧電極/第一接點
7‧‧‧扁電纜
7‧‧‧板
20‧‧‧低壓燈
21‧‧‧無汞氣體填充物
22‧‧‧磷光體層
30‧‧‧實際有機膜
31‧‧‧有機發光二極體
32‧‧‧透明基板
33‧‧‧磷光體層
圖1： 與藉由固態擴散反應(混合及燒製)所製備之含有2% Ce的市購純Y3 Al5 O12 :Ce及藉由濕式化學方法所製備之純YAG:Ce(前驅物)相比，本發明之磷光體(Y,Bi)3 Al5 O12 :Ce、(Y,Th)3 Al5 O12 :Ce及(Y,Sb)3 Al5 O12 :Ce之發射光譜。激發波長為450 nm(x軸：LAMBDA/nm=波長/nm; y軸：Intens./nm=螢光強度/任意單位)。
圖2a： 發射光譜之放大圖以較佳地說明不同的最大發射。藉由濕式化學方法所製備且經Bi、Th或Sb摻雜之本發明磷光體驚人地具有比藉由固態擴散反應所製備之市購純YAG: Ce及藉由濕式化學方法所製備的純YAG: Ce更高之螢 光強度。
(x,y)CIE 1937色度圖中之色點：(Y0.969 Ce0.02 X0.001 )3 Al5 O12 ，其中X=Sb: (x/y)=0.438/0.541；其中X=Bi: (x/y)=0.440/0.539；其中X=Th: (x/y)=0.439/0.541。
藉由固態擴散反應製備之市購YAG: Ce: (x/y)=0.435/0.541。
藉由濕式化學方法所製備之YAG: Ce: (x/y)=0.435/0.541。
圖2b: 本發明之磷光體(Y,Bi)3 Al5 O12 :Ce及(Y,Th)3 Al5 O12 : Ce之發射光譜，與非共摻雜YAG: Ce相比，其已藉由固態擴散反應(混合及燒製)製備。
圖3: 展示具有含磷光體塗層之發光二極體之圖示。該組件包含晶片樣發光二極體(LED)1作為輻射源。該發光二極體係安裝於藉由調節框架所固持之杯形反射器2中。晶片1經由扁電纜7連接至第一接點6且直接連接至第二電接點6'。包含本發明之轉換磷光體的塗層已經塗佈於反射杯之內部曲面。磷光體彼此單獨使用或作為混合物使用。(部件編號清單：1發光二極體；2反射器；3樹脂；4轉換磷光體；5擴散體；6電極；7扁電纜)。
圖4： 展示InGaN型之COB(板上晶片)封裝，其充當白光之光源(LED)(1=半導體晶片；2、3=電連接；4=轉換磷光體；7=板)。將磷光體分布於黏結劑透鏡中，其同時代表 第二光學元件且作為透鏡影響光發射特性。
圖5： 展示InGaN型之COB(板上晶片)封裝，其充當白光之光源(LED)(1=半導體晶片；2、3=電連接；4=轉換磷光體；7=板)。磷光體位於、分布於直接位於LED晶片上之黏結劑薄層中。由透明材料組成之第二光學元件可置放於其上。
圖6： 展示充當白光之光源(LED)的Golden Dragon® 封裝(1=半導體晶片；2、3=電連接；4=具有反射器之空腔內的轉換磷光體)。轉換磷光體分散於黏結劑中，其中混合物填充該空腔。
圖7： 展示Lnxeon® 封裝，其中1=外殼；2=電連接；3=透鏡；4=半導體晶片。該設計具有覆晶設計之優點，其中經由透明基板及基底上之反射器，可使來自晶片之較大比例的光用於照明目的。此外，該設計有利於熱散逸。
圖8： 展示一種封裝，其中1=外殼；2=電連接；4=半導體晶片，且透鏡下方之空腔完全由本發明之轉換磷光體填充。該封裝之優點在於可使用較多量之轉換磷光體。其亦可充當遠距式磷光體。
圖9： 展示SMD封裝(表面黏著式封裝)，其中1=外殼；2、3=電連接；4=轉換層。本發明之磷光體完全覆蓋半導體晶片。SMD設計之優點在於其具有小的實體尺寸且因此可裝配於習知燈中。
圖10： 展示T5封裝，其中1=轉換磷光體；2=晶片；3、4=電連接；5=具有透明樹脂之透鏡。轉換磷光體位於LED 晶片之背面，其優點在於磷光體經由金屬連接加以冷卻。
圖11： 展示發光二極體之圖示，其中1=半導體晶片；2,3=電連接；4=轉換磷光體；5=接合線，其中磷光體在黏結劑中用作頂部球體。磷光體/黏結劑層之此形式可充當第二光學元件且影響(例如)光傳播。
圖12： 展示發光二極體之圖示，其中1=半導體晶片；2,3=電連接；4=轉換磷光體；5=接合線，其中磷光體在黏結劑中應用、分散為薄層。充當第二光學元件之其他組件(諸如透鏡)可易於應用於此層上。
圖13： 展示原則上已根據US-B 6,700,322所知之其他應用之實例。在本文中，本發明之磷光體連同OLED一起使用。光源為由實際有機膜30及透明基板32組成之有機發光二極體31。膜30尤其發射初始藍光，該膜(例如)藉助於PVK: PBD：香豆素(PVK：聚(N-乙烯基咔唑)之縮寫；PBD:2-(4-聯苯)-5-(4-第三丁基-苯基)-1,3,4-噁二唑之縮寫)而產生。藉由本發明之磷光體層33所形成的覆蓋層使發射部分地轉換成黃色二次發射光，以致藉由將初始發射光與二次發射光之顏色混合獲得總體白光發射。OLED大體上由至少一層發光聚合物或介於兩電極之間的所謂小分子組成，該等電極由作為陽極之本身已知材料(諸如ITO(氧化銦鍚之縮寫))及作為陰極之高度反應性金屬(諸如Ba或Ca)組成。電極之間通常亦使用複數個層，其充當電洞傳遞層，或在小分子領域內亦充當電子傳遞層。例如，所用之發光聚合物為聚茀或聚螺材料。
圖14： 展示與WO 2005/061659類似，具有無汞氣體填充物21(含有銦填充物及緩衝氣體)之低壓燈(圖示)，其中應用本發明之磷光體層22。
1‧‧‧發光二極體/晶片
2‧‧‧反射器
3‧‧‧樹脂
4‧‧‧轉換磷光體
5‧‧‧擴散體
6‧‧‧電極/第一接點
7‧‧‧扁電纜

Claims (24)

  1. 一種具有式I之石榴石結構之磷光體：(Ya ,Gdb ,Luc ,Thh ,Sbj ,Bik )3-x (All ,Gam )5 O12 ：Cex (I)其中a+b+c+h+j+k=1，其中Th3+ 、Sb3+ 及/或Bi3+ 之至少一者係以共摻雜劑之形式存在，l+m=1，且x=0.02至0.18。
  2. 一種石榴石結構之磷光體，其係選自式II至IV化合物之化合物：(Y1-z-y Cez Sby )3 Al5 O12 ，其中0.005z0.1且0.001y0.005 (II)；(Y1-z-y Cez Biy )3 Al5 O12 ，其中0.005z0.1且0.001y0.005 (III)；(Y1-z-y Cez Thy )3 Al5 O12 ，其中0.005z0.1且0.001y0.005 (IV)。
  3. 如請求項1或2之磷光體，其特徵在於其具有一結構化表面。
  4. 如請求項1或2之磷光體，其特徵在於其具有一粗糙表面，該粗糙表面攜有SiO2 、TiO2 、Al2 O3 、ZnO、ZrO2 及/或Y2 O3 或其混合氧化物之奈米顆粒或包含該磷光體組合物之顆粒。
  5. 如請求項1或2之磷光體，其特徵在於其具有一連續表面塗層，該連續表面塗層由SiO2 、TiO2 、Al2 O3 、ZnO、ZrO2 及/或Y2 O3 或其混合氧化物組成。
  6. 如請求項1或2之磷光體，其特徵在於其具有一多孔表面 塗層，該多孔表面塗層由SiO2 、TiO2 、Al2 O3 、ZnO、ZrO2 及/或Y2 O3 或其混合氧化物組成或由該磷光體組合物組成。
  7. 如請求項1或2之磷光體，其特徵在於該表面攜有促進與環境化學鍵結之官能基。
  8. 如請求項1或2之磷光體，其可如下獲得：藉由濕式化學方法將含鋁、含釔及含鈰之起始材料與至少一種含Sb、含Bi及/或含Th之共摻雜劑及視需要其他含Gd、含Lu及/或含Ga之材料混合，且進行後續熱後處理。
  9. 一種用於製備具有式I之石榴石結構的磷光體之方法，該方法具有以下方法步驟：a)藉由濕式化學方法將至少三種選自含Y、含Al、含Ce、含Gd、含Lu及/或含Ga材料之起始材料混合，藉此製備與來自磷光體前驅物懸浮液或溶液之含銻、含鉍、含銥及/或含釷材料共摻雜的經鈰活化磷光體；b)對經銻、鉍、銥及/或釷共摻雜之磷光體進行熱後處理。
  10. 如請求項9之方法，其特徵在於該磷光體前驅物係藉助於溶膠-凝膠方法、沈澱方法及/或乾燥方法而在步驟a)中藉由濕式化學方法由有機及/或無機金屬及/或稀土鹽製備。
  11. 如請求項9或10之方法，其特徵在於該磷光體之表面係經SiO2 、TiO2 、Al2 O3 、ZnO、ZrO2 及/或Y2 O3 或其混合氧 化物之奈米顆粒或該磷光體組合物之奈米顆粒塗覆。
  12. 如請求項9或10之方法，其特徵在於該磷光體之表面具備SiO2 、TiO2 、Al2 O3 、ZnO、ZrO2 及/或Y2 O3 或其混合氧化物之連續塗層。
  13. 如請求項9或10之方法，其特徵在於該磷光體之表面具備SiO2 、TiO2 、Al2 O3 、ZnO、ZrO2 及/或Y2 O3 或其混合氧化物之多孔塗層或該磷光體組合物之多孔塗層。
  14. 一種具有至少一個初始光源之照明裝置，該初始光源之最大發射在410nm至530nm範圍內，其中該輻射藉由如請求項1至8中任一項之磷光體部分地或完全地轉換為較長波長之輻射。
  15. 如請求項14之照明裝置，其特徵在於該光源為發光性氮化銦鋁鎵，尤其式Ini Gaj Alk N之氮化銦鋁鎵，其中0i，0j，0k，且i+j+k=1。
  16. 如請求項14之照明裝置，其特徵在於該光源為基於ZnO、TCO(透明導電氧化物)、ZnSe或SiC之發光化合物。
  17. 如請求項14之照明裝置，其特徵在於該光源為基於有機發光層之材料。
  18. 如請求項14之照明裝置，其特徵在於該光源為呈現電致發光及/或光致發光之光源。
  19. 如請求項14之照明裝置，其特徵在於該光源為電漿或放電光源。
  20. 如請求項14至19中任一項之照明裝置，其特徵在於該磷 光體係直接配置於該初始光源上及/或與其遠距配置。
  21. 如請求項14至19中任一項之照明裝置，其特徵在於該磷光體與該初始光源之間的光學耦合係藉助於光導配置來達成。
  22. 一種至少一種如請求項1至8中任一項之式I磷光體之用途，其係用作轉換磷光體以部分或完全轉換來自一發光二極體的藍光或近UV光發射。
  23. 一種至少一種如請求項1至8中任一項之式I磷光體之用途，其係用作轉換磷光體以根據按需取色概念將初輻射轉換成一特定色點。
  24. 一種至少一種如請求項1至8中任一項之式I磷光體之用途，其係用於將藍光或近UV光發射轉換成可見白光輻射。
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