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TWI464241B - 螢光粉組成及使用該螢光粉組成的白色發光裝置 - Google Patents

螢光粉組成及使用該螢光粉組成的白色發光裝置 Download PDF

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TWI464241B
TWI464241B TW100127429A TW100127429A TWI464241B TW I464241 B TWI464241 B TW I464241B TW 100127429 A TW100127429 A TW 100127429A TW 100127429 A TW100127429 A TW 100127429A TW I464241 B TWI464241 B TW I464241B
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Description

螢光粉組成及使用該螢光粉組成的白色發光裝置
本發明是有關於一種螢光粉組成及使用該螢光粉組成的白色發光裝置，且特別是有關於一種具有較佳光型、熱穩定及無能量飽和問題的螢光粉組成及白色發光裝置。
基於節能減碳以及永續發展之環保意識，目前世界先進各國均逐步淘汰高耗能的傳統照明，進而選擇白色發光二極體。白色發光二極體的優點是體積小，可以配合應用設備來調整，其反應速度快，因此非常適合高頻操作。白色發光二極體的耗電量低，僅有傳統燈泡的1/8至1/10，日光燈的1/2，並且其壽命長，可達10萬小時以上，可以解決白熾燈泡高耗能的問題，其可做為新的照明以及顯示光源，並且兼具省電與環保概念，因此被喻為綠色照明光源。
白色發光二極體之技術在1990年代被提出，其係藉由藍光發光二極體(blue LED)激發由摻雜鈰之釔鋁石榴石螢光粉(Ce-doped YAG phosphor)產生黃光，螢光粉所發出的黃光與剩餘藍光混合而產生白光。然而，釔鋁石榴石螢光粉使用於白光技術中有能量飽和(power saturation)的問題，即激發光源的亮度提升後，釔鋁石榴石螢光粉吸收激發光源而發出黃光的亮度在到達一程度後，可以再增加的亮度就受到限制。
因此在2000年後，提出基於黃色矽酸鹽螢光粉(silicate phosphor)的白色發光二極體作為白光技術的另一種選擇。雖然矽酸鹽螢光粉沒有能量飽和的問題，但是卻又面臨熱穩定(heat stability)的困擾，即矽酸鹽螢光粉長時間處於發光二極體所產生的高熱環境中，其黃光亮度會逐漸衰減(decay)，造成白光亮度的降低及色溫的偏移，而且易受潮而分解。因此開發一種新的、可避免上述問題的螢光粉組成，是目前產業界一項重要的課題。
本發明提供一種螢光粉組成及使用該螢光粉組成的白光發光裝置，用以解決上述習知的問題並實現高品質白光光源。
本發明提供一種白光發光裝置，包括一具有發光波長範圍涵蓋440-470 nm的發光二極體及一配置在該藍光發光二極體上的螢光粉組成，其中該螢光粉組成包括一第一黃色螢光粉，發光峰值波長為535-545nm；一第二黃色螢光粉，發光峰值波長為545-555nm；以及一紅色螢光粉，發光峰值波長為645-655nm，其中白光的色度座標範圍為CIE x:0.25-0.3以及CIE y: 022-0.28。
在本發明一實施例中，該第一黃色螢光粉、該第二黃色螢光粉及該紅色螢光粉的重量百分比為1：1：0.3～0.45。
在本發明一實施例中，該紅色螢光粉的比值為0.4。
在本發明一實施例中，該第一黃色螢光粉包括鑭矽氮化合物。
在本發明一實施例中，該第一黃色螢光粉包括La3 Si5 N11 :Ce2+ 。
在本發明一實施例中，該第二黃色螢光粉包括β-矽鋁氧氮化合物(β-SiAlON)。
在本發明一實施例中，該第二黃色螢光粉包括Si6-z Alz Nz O8-z :Eu2+ ,0<z<4.2。
在本發明一實施例中，該紅色螢光粉包括鈣鋁矽氮化合物。
在本發明一實施例中，該紅色螢光粉包括CaAlSiN3 :Eu2+ 。
在本發明一實施例中，該發光二極體具有發光峰值波長450-460 nm。
本發明提供一種白光發光裝置，包括一藍光發光二極體及一配置在該藍光發光二極體上的螢光粉組成，該螢光粉組成包括一黃色鑭矽氮化合物、一黃色β-矽鋁氧氮化合物及一紅色鈣鋁矽氮化合物，其中該黃色鑭矽氮化合物、該黃色β-矽鋁氧氮化合物及該紅色鈣鋁矽氮化合物的重量百分比為1：1：0.3～0.45。
在本發明一實施例中，該紅色鈣鋁矽氮化合物的比值為0.4。
在本發明一實施例中，該黃色鑭矽氮化合物包括La3 Si5 N11 :Ce2+ 。
在本發明一實施例中，該黃色β-矽鋁氧氮化合物包括Si6-z Alz Nz O8-z :Eu2+ ,0<z<4.2。
在本發明一實施例中，該紅色鈣鋁矽氮化合物包括CaAlSiN3 :Eu2+ 。
本發明提供一種白光發光裝置，包括一藍光發光二極體及一配置在該藍光發光二極體上的螢光粉組成，該螢光粉組成包括有一第一氮化合物螢光粉、一第二氮化合物螢光粉及一第三氮化合物螢光粉，其中該第二氮化合物螢光粉的發光波長峰值介於該第一氮化合物螢光粉與該第三氮化合物的發光波長峰值之間。
在本發明一實施例中，該第一氮化物螢光粉包括鑭矽氮化合物，該第二氮化物螢光粉包括β-矽鋁氧氮化合物，該第三氮化合物螢光粉包括鈣鋁矽氮化合物。
在本發明一實施例中，該第二氮化合物螢光粉包括Si6-z Alz Nz O8-z :Eu2+ ,0<z<4.2。
在本發明一實施例中，該第一氮化物螢光粉、該第二氮化物螢光粉及該第三氮化合物螢光粉的重量百分比為1：1：0.3～0.45。
在本發明一實施例中，該第三氮化合物螢光粉的比值為0.4。
本發明提供一種螢光粉組成，包括一第一螢光粉、一第二螢光粉及一第三螢光粉，其中該第一螢光粉包括一鑭矽氮化合物，該第二螢光粉包括一β-矽鋁氧氮化合物，該第三螢光粉包括一鈣鋁矽氮化合物，其中該螢光粉組成在具有發光波長峰值450-460 nm的藍光光源激發下，混光產生一白光，該白光的NTSC色彩飽和度大於70%。
在本發明一實施例中，該第一螢光粉包括La3 Si5 N11 :Ce2+ 。
在本發明一實施例中，該第一螢光粉、第二螢光粉及第三螢光粉的的重量百分比為1：1：0.3～0.45。
在本發明一實施例中，該第三螢光粉的比值為0.4。
在本發明一實施例中，該第二螢光粉包括Si6-z Alz Nz O8-z :Eu2+ ,0<z<4.2。
在本發明一實施例中，該第三螢光粉包括CaAlSiN3 :Eu2+ 。
本發明的白光發光裝置及其所採用的螢光粉組成對熱穩定且無能量飽和及受潮分解的問題，本發明白光發光裝置所揭露的螢光粉組成可以取代習知釔鋁石鎦石螢光粉及矽酸鹽螢光粉，因此對於供照明光源及顯示器光源，可以提供更高品質的白光光源。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1係繪示本發明一實施例之白光發光裝置的剖面示意圖。請參考圖1，白光發光裝置100包括有一藍光發光二極體101、一反射殼體103及一導電支架105，藍光發光二極體101設置於反射殼體103之內，並藉由焊線107與導電支架電性連接。一封膠層109填入反射殼體103中並封裝藍光發光二極體101，一螢光粉組成111混合於封膠層109中並位於藍光發光二極體101上，螢光粉組成111包括有第一黃色螢光粉、第二黃色螢光粉及紅色螢光粉，用以將藍光發光二極體101所發出的波長較短的藍光的一部分轉換成較長波長的可見光，之後與其餘的藍光混合而形成白光。
在上述白光發光裝置100中，為產生良好色度座標的白光，將螢光粉組成111中的第一黃色螢光粉、第二黃色螢光粉及紅色螢光粉以適當的比例混合，螢光粉組成111的發光波長範圍(range of emission wavelength)約從480 nm到730 nm，其中包括峰值波長(peak wavelength)為540 nm左右的黃光、峰值波長為550 nm左右的黃光及峰值波長為650 nm左右的紅光，而藍光發光二極體101發光的波長範圍約從410 nm到480 nm，其峰值波長約為450 nm-460 nm。
在上述本發明實施例的螢光粉組成111中，第一黃色螢光粉包括了摻雜鈰的鑭矽氮化合物，其發光峰值波長約為540±5 nm，半波寬(FWHM,full width at half maximum)為80-100 nm，其分子式例如是La3 Si5 N11 :Ce2+ ，係購自三菱化學公司(MCC)，型號為BY201A。第二黃色螢光粉包括以銪活化的β-矽鋁氧氮化合物(Eu-activated β-SiAlON)，其發光峰值波長約為550±5 nm，半波寬為80-100 nm，其分子式例如是Si6-z Alz Nz O8-z :Eu2+ ,0<z<4.2，係購自電器化學(Denka chemicals)，型號為GR230LW。紅色螢光粉包括以銪活化的鈣鋁矽氮化合物(Eu-activated CaAlSiN)，其發光峰值波長約為650±5 nm，半波寬為80-110 nm，其分子式例如是CaAlSiN3 :Eu2+ ，係購自三菱化學公司，型號為BR101D。
圖2係分別繪示本發明實施例螢光粉組成111中各別螢光粉的的發光光譜曲線圖。請參考圖2，第一黃色螢光粉為La3 Si5 N11 :Ce2+ ，在藍光激發下，其發光峰值波長約為540 nm；第二黃色螢光粉為Si6-z Alz Nz O8-z :Eu2+ ,0<z<4.2(β-SiAlON)，在藍光激發下，其發光峰值波長約為550 nm；紅色螢光粉為CaAlSiN3 :Eu2+ ，在藍光激發下，其發光峰值波長約為650 nm。參考圖1，在本發明白光發光裝置100中，可以將圖2中所示的各色螢光粉以適當的比例混合形成螢光粉組成111，並與透光封膠混合後，填入反射殼體103中形成封膠層109，藉此封裝藍光發光二極體101。
參考圖3，圖3係繪示根據本發明一實施例之白光發光裝置的發光光譜曲線圖。將圖2所繪示的第一黃色螢光粉“La3 Si5 N11 :Ce2+ ”、第二黃色螢光粉“Si6-z Alz Nz O8-z :Eu2+ ,0<z<4.2”及紅色螢光粉“CaAlSiN3 :Eu2+ ”依一特定的比例混合而得一螢光粉組成，將此發光粉組成施加於具有峰值波長為450-460 nm的藍光發光二極體上，而得到如圖3本發明實施例的白光發光裝置的發光光譜曲線圖，其中螢光粉組成裡各色螢光粉的比例分別為第一黃色：第二黃色：紅色=1：1：0.3~0.45(w/w,重量比)，而更佳的比例是第一黃色：第二黃色：紅色=1：1：0.4(w/w)。
如圖3所示，本實施例之白光發光裝置的發光光譜具有460 nm左右和545 nm左右的峰值，並且整個發光光譜分佈在相當寬的波長範圍(400 nm-730 nm)內，本實施例的發光光譜顯示具有良好色度座標特性的白色混光，且其NTSC可大於72%，極適合於電視或動態顯示器等液晶顯示器背光的需求。另外，值得一提的是，在上述螢光粉組成中添加5-15%(w/w)且粒徑大小D50 為1-10 μm的擴散劑(diffuser)，將可以增加整個白光發光裝置的發光亮度，上述擴散劑例如包括氧化鋅(ZnO2 )、氧化矽(SiO2 )、氧化鈦(TiO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )或其組合。
圖4係繪示根據本發明實施例之白光發光裝置的白光在CIE色度座標圖中的座標範圍。參考圖4，藉由改變上述本發明螢光粉組成中的第一黃色螢光粉、第二黃色螢光粉及紅色螢光粉的混合比例，可以得到在色度座標中其範圍為CIE x:0.25-0.3以及CIE y: 022-0.28的白光，將可視實際的需求調整白光發光裝置的發光的特性，實現高品質的白光，故特別適合於電視或動態顯示器等背光的需求。
再者，在本發明實施例螢光粉組成中，其中所含的鑭矽氮化物螢光粉(黃色)、β-矽鋁氧氮化合物螢光粉(黃色)及鈣鋁矽氮化合物(紅色)對於熱的反應相當穩定，即使長時間處於發光光源所產生的高熱環境中，並不會發生亮度衰減的問題，也不易因受潮而分解，或者是有如習知釔鋁石榴石螢光粉能量飽和的問題。
值得一提的是，為增加發光二極體101對於螢光粉組成111之激發效率，螢光粉組成111的濃度還可以由封膠層109表面逐漸向發光二極體101表面逐漸增加，或者，可同時藉由共形之螢光粉組成111覆蓋於發光二極體101上，而共形之螢光粉組成111可藉由噴塗、模鑄、印刷等方式所形成。同時，螢光粉組成111並不限於需直接覆蓋於發光二極體101上，螢光粉組成111還可藉由遠離發光二極體101的方式被發光二極體101所激發，例如於顯示器或者於照明模組中，螢光粉組成111可與樹脂混合形成一螢光粉模板或者是導光板，或者可塗佈於樹脂模板或者是導光板之上方，如此還可提升光均勻度，增加螢光粉組成111對於發光二極體101所產生的高溫的耐受性。
綜上所述，本發明的白光發光裝置所採用的螢光粉組成沒有習知螢光粉「熱不穩定」、「易受潮」及「能量飽和」的問題，另外，藉由適當改變上述本發明螢光粉組成中各螢光粉的比例，可動態調整本發明的白光發光裝置的光譜型態(spectrum pattern)以符合實際的需求，因此本發明白光發光裝置所揭露的螢光粉組成可以有效取代現有的釔鋁石榴石螢光粉或矽酸鹽螢光粉，因此對於供照明光源及顯示器光源，可以提供更高品質的白光光源。
雖然本發明已以實施例揭露如上，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，當可作些許之更動與潤飾，故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．．．白光發光裝置
101．．．藍光發光二極體
103．．．反射殼體
105．．．導電支架
107．．．焊線
109．．．封膠層
111．．．螢光粉組成
圖1係繪示本發明一實施例之白光發光裝置的剖面示意圖。
圖2係分別繪示本發明實施例螢光粉組成中各別螢光粉的的發光光譜曲線圖
圖3係繪示根據本發明一實施例之白光發光裝置的發光光譜曲線圖。
圖4係繪示根據本發明實施例之白光發光裝置的白光在CIE色度座標圖中的座標範圍。

Claims (16)

  1. 一種白光發光裝置，包括：一發光二極體，具有發光波長範圍涵蓋440-470nm；以及一螢光粉組成，配置在該藍光發光二極體上，該螢光粉組成包括：一第一黃色螢光粉，發光峰值波長為535-545nm，其中該第一黃色螢光粉包括鑭矽氮化合物；一第二黃色螢光粉，發光峰值波長為545-555nm；以及一紅色螢光粉，發光峰值波長為645-655nm，其中白光的色度座標範圍為CIE x：0.25-0.3以及CIE y：022-0.28，且該第一黃色螢光粉、該第二黃色螢光粉及該紅色螢光粉的重量百分比為1：1：0.3~0.45。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的白光發光裝置，其中該紅色螢光粉的比值為0.4。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的白光發光裝置，其中該第一黃色螢光粉包括La3 Si5 N11 ：Ce2+ 。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的白光發光裝置，其中該第二黃色螢光粉包括β-矽鋁氧氮化合物(β-SiAlON)。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的白光發光裝置，其中該第二黃色螢光粉包括Si6-z Alz Nz O8-z ：Eu2+ ,0<z<4.2。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的白光發光裝置，其中該紅色螢光粉包括鈣鋁矽氮化合物。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的白光發光裝置，其中該紅色螢光粉包括CaAlSiN3 ：Eu2+ 。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的白光發光裝置，其中該發光二極體具有發光峰值波長450-460nm。
  9. 一種白光發光裝置，包括：一藍光發光二極體；以及一螢光粉組成，配置在該藍光發光二極體上，該螢光粉組成包括有一第一氮化合物螢光粉、一第二氮化合物螢光粉及一第三氮化合物螢光粉，其中該第二氮化合物螢光粉的發光波長峰值介於該第一氮化合物螢光粉與該第三氮化合物的發光波長峰值之間，且該第一氮化物螢光粉包括鑭矽氮化合物，該第二氮化物螢光粉包括β-矽鋁氧氮化合物，該第三氮化合物螢光粉包括鈣鋁矽氮化合物，其中白光的色度座標範圍為CIE x：0.25-0.3以及CIE y：022-0.28，且該第一氮化物螢光粉、該第二氮化物螢光粉及該第三氮化合物螢光粉的重量百分比為1：1：0.3~0.45。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的白光發光裝置，其中該第二氮化合物螢光粉包括Si6-z Alz Nz O8-z ：Eu2+ ,0<z<4.2。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的白光發光裝置，其中該第三氮化合物螢光粉的比值為0.4。
  12. 一種螢光粉組成，包括：一第一螢光粉，包括一鑭矽氮化合物；一第二螢光粉，包括一β-矽鋁氧氮化合物；以及一第三螢光粉，包括一鈣鋁矽氮化合物，其中該螢光 粉組成在具有發光波長峰值450-460nm的藍光光源激發下，混光產生一白光，該白光的NTSC色彩飽和度大於70%，且該第一螢光粉、第二螢光粉及第三螢光粉的的重量百分比為1：1：0.3~0.45。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的螢光粉組成，其中該第一螢光粉包括La3 Si5 N11 ：Ce2+ 。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的螢光粉組成，其中該第三螢光粉的比值為0.4。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的螢光粉組成，其中該第二螢光粉包括Si6-z Alz Nz O8-z ：Eu2+ ,0<z<4.2。
  16. 如申請專利範圍第12項所述的螢光粉組成，其中該第三螢光粉包括CaAlSiN3 ：Eu2+ 。
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