CN102136541A

CN102136541A - 一种透明陶瓷白光led器件

Info

Publication number: CN102136541A
Application number: CN2010100049448A
Authority: CN
Inventors: 石云; 潘裕柏; 冯锡淇; 姜本学
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2011-07-27

Abstract

本发明涉及一种透明陶瓷白光LED器件，其特征在于包括作为发光材料的块体透明陶瓷发光体，LED芯片以及承载LED芯片和透明陶瓷发光体的载体，载体开设有凹槽，LED芯片位于凹槽底部，透明陶瓷发光体直接叠放在LED芯片上或镶嵌在载体中。本发明提供的器件具有光学均匀性好，色温低，亮度高的白光，避免了采用荧光颗粒必须采用透光树脂进行封装的问题，简化封装技术，器件受热影响小，使用寿命长。其结构简单，性能优异，尤其适合大功率白光LED器件。

Description

一种透明陶瓷白光LED器件

技术领域

本发明属于LED发光技术领域，特指一种白光LED器件，更准确的说涉及一种透明陶瓷白光LED器件。

背景技术

白光LED(White light-emitting diode)具有小型固体化，耐震动，瞬时启动和快响应(μs)，节能且寿命长(万小时)，绿色高效等许多优点，尤其是当前在白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源的能效几乎都已达到了极限，而基于LED照明技术的能效有望在今后10年内提高一到两倍，未来可广泛应用于各种建筑与景观照明，LCD(Liguid Crystal Display)背景光，医疗，航海、航空，汽车照明，及各种便携式照明，有望作为一种节能、环保的绿色固态照明(SSL)技术，发展成为***新照明光源。

白光LED的发光原理主要是将荧光粉涂覆在蓝光LED或紫外LED芯片上，通过波长转换实现白光。然而当前在白光LED的研究发展过程中，主要存在以下突出问题：

1).发光效率低，显色性不好：用蓝光LED芯片与黄光Ce:YAG荧光粉组合发出的白光，由于红绿蓝三基色中的红色成份少，导致白光LED的色温偏高，衰减严重；同时蓝光LED持续点亮会造成温度升高，使荧光粉发生退化，从而导致出光效率不高，难以符合各种照明要求；虽然近年来人们开始关注采用紫外芯片激发红绿蓝三波长荧光粉的方案，以提高发光效率和显色性，但是如何实现三波长荧光粉的合成和在芯片上的均匀有效涂覆，使白光LED的色彩质量及一致性达到理想的状态，仍是业内人士面临的挑战。

2).色温(CCT)变化：对于荧光粉转换型(Phosphor converted，PC)白光LED，色温变化是目前面临的主要挑战。粉体在蓝光或紫外芯片发出的光通过时会产生散射和吸收等现象，涂覆厚度的不均匀及荧光粉的形貌和粒径等因素，都会导致产生黄色光斑，蓝色光斑，白光色温不一致等问题。另外荧光粉涂覆在蓝色芯片上的时候需要用硅胶混合，由于LED大部分能量发热导致温度升高，荧光粉在高温下的发光效率降低，长时间在高温下，荧光粉的衰减也较大，而硅胶会老化会影响荧光粉的使用寿命。

针对以上问题，全球三大照明公司之一的飞利浦公司2007年发表了陶瓷荧光板荧光技术(Lumiramic Phosphor Technology)，如附图1所示。

该技术将荧光粉压成陶瓷片(不透明)，可将LED的色温范围减低为原本的1/4，减少了各个LED间色温不均的现象。不仅简化了封装问题，同时在指定色温的前提下，节省75％的荧光粉用量，并简化了光源的制造工艺。但是由于陶瓷荧光板是普通压制烧结而成，在抗震、散热等方面存在不足；不透明的陶瓷板同样存在荧光粉的光散射问题，且该设计需要采用薄层芯片倒装技术(TFFC)，使得新器件的设计发展存在局限性。

国内关于白光LED用荧光材料方面的专利申请多集中在粉体材料方面，也有一些专利提出了替代材料的技术方案，例如CN1815765A提出了一种YAG晶片式白光发光二极管及其封装方法，它是将稀土掺杂的YAG晶片用作荧光材料，但是单晶材料相比陶瓷，在机械、力学稳定性方面存在不足，限制了加工制造的灵活性，且单晶生长需要高温，制备成本较高，且该技术方案仍需树脂封装晶片，不能从根本上解决树脂受热老化问题。

透明陶瓷作为近年来迅速发展起来的一种新型光电功能材料，在热学、力学性能、光性能、复合结构以及规模化生产方面优势明显，透明陶瓷目前已在窗口材料，激光材料和闪烁材料得到应用：

1)透明化的发光材料可以解决荧光粉对光的散射和吸收，提高发光效率；

2)陶瓷不存在单晶的分凝系数问题，可以实现多种发光离子的高浓度均匀共掺，从而可以通过精确控制陶瓷片荧光体的透过率，发光波段等各种参数，调节和控制荧光体陶瓷片转换的黄光与未被转换的蓝光之间的比例，利用透明陶瓷自身的均匀性，获得均一高质量的白光，并可进行发光设计，开发新材料；

3)透明陶瓷具有优异的机械和热力学性能，抗振动，导热性好，可解决蓝光LED持续点亮下温度升高造成的各种发光问题，进一步提高器件的发光稳定性和使用寿命，尤其适合大功率白光LED器件；

4)陶瓷相对单晶，在成型和复杂结构设计制备方便具有优势，且相对高熔点的Ce:YAG体系(熔点1950℃)，陶瓷不需熔融，在较低温度下就可以烧制成功，商业成本低廉，发展前景广阔。

本发明拟将透明陶瓷作为发光材料，引入到白光LED器件中，将有利于解决当前荧光粉突出存在热问题，同时陶瓷优良的机械力学性能，将有利于简化器件的封装，并为器件结构设计带来更大的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透明陶瓷白光LED器件。本发明提供的白光LED器件的发光原理，是采用蓝光LED芯片或紫外LED芯片，激发作为发出的蓝光材料的透明陶瓷，由蓝光芯片发光和受激发的透明陶瓷发光体所发的黄光混合形成白光，或紫外芯片激发透明陶瓷发光体分别发出的红光，绿光和蓝光，再由这三色光混合，形成白光。

本发明提供的透明陶瓷白光LED器件，其特征在于包括作为发光材料的块体透明陶瓷发光体，LED芯片以及承载LED芯片和透明陶瓷发光体的载体，载体开设有凹槽，LED芯片位于凹槽底部，透明陶瓷发光体直接叠放在LED芯片上或镶嵌在载体中。

本发明在原有技术的基础上，提出一种用多晶透明陶瓷替代传统荧光粉，在蓝光LED芯片或紫外LED芯片激发下，获得光学均匀性好，色温低，亮度高的白光的技术方案，避免了采用荧光颗粒必须采用透光树脂进行封装的问题，简化封装技术，器件受热影响小，使用寿命长。其结构简单，性能优异，尤其适合大功率白光LED器件。其具体特征如下：

1)发光原理仍同传统白光LED器件相同，但是发光材料由荧光粉改为透明多晶陶瓷，透明多晶陶瓷以块体的形式存在于器件中，厚度0.1mm～5mm；

2)透明多晶陶瓷能在蓝光LED芯片或紫外LED芯片激发下，发出一种或多种波段的光；发光陶瓷受激发出的光能与芯片发出的光混合组成白光，或受激发透明陶瓷发出的一种以上的光相互组合形成白光；

3)作为发光材料的透明多晶陶瓷与蓝光LED芯片或紫外LED芯片的距离范围为0cm～5cm；也即透明多晶陶瓷可以直接叠放在LED芯片之上，也可以镶嵌在载体中，与芯片保持一定距离(≤5cm)，进一步优化散热性能，在大功率，长时间使用的灯具中，如路灯，景观灯等，具有优势；

4)其特征在于，本发明设计的结构，无需树脂封装发光体，简化了封装技术，避免了树脂受热老化引起的发光效率降低问题；

5)本发明涉及的透明多晶陶瓷发光体，包括但不限于发黄光的Ce:YAG(Ce3⁺掺杂Y₃Al₅O₁₂)透明陶瓷，其特征在于：Ce³⁺掺杂浓度范围0.05～0.3at％；进一步的还可以通过在YAG透明陶瓷中掺杂或共掺Tb，Pr，Eu，Nd，Tm，Dy稀土发光离子，实现发光调控；掺杂基质包括但不限于Y₂O₃，LuAG，Lu₂O₃，Sc₂O₃，MgAl₂O₄，CaF2，ZnS。在LED芯片激发下，发出一种或多波段的光。

附图说明

图1Philips Lumileds陶瓷荧光板荧光技术的白光LED简易图

图2根据本发明构思，可采用的Ce:YAG透明陶瓷发光体照片；

图3根据本发明构思，可采用的白光LED器件直接叠放式结构示意图；

图4根据本发明构思，可采用的白光LED器件镶嵌式结构示意图。

具体实施方法

实施例1

将Ce:YAG透明陶瓷作为发光体，白光LED器件结构如图3或4所示，包括作为发光材料的透明陶瓷发光体1，蓝光LED芯片2；和灯具中承载芯片和发光体的载体部分3。载体下部设有金属引线，与LED芯片链接。载体开设有凹槽，LED芯片位于凹槽底部，连接电源导线。LED芯片2发出的蓝光与Ce:YAG透明陶瓷受激发出的黄光混和后，产生白光。

其特征在于，凹槽底部的LED芯片之上，可直接叠放块体透明陶瓷，用作发光材料，不需要填充透光树脂封装，简化可封装技术，且避免了在高功率长时间使用下，透光树脂老化造成的白光不均，发光效率降低问题。

进一步的优势在于，由于透明陶瓷呈块体，就有良好的导热性能和力学性能，机械加工性能优良，可以将透明陶瓷发光体镶嵌固定在载体上，中间保留一定空隙，进一步优化散热性能。

实施例2

实施例1所述的Ce:YAG透明陶瓷可用其它稀土发光离子如Tb、Pr、Eu、Nd、Tm或Dy单掺杂或二种以上的掺杂。同样作为掺杂的基质不限于YAG，可以为Y₂O₃、LuAG、Lu₂O₃、Sc₂O₃、MgAl₂O₄、CaF₂或ZnS。透明陶瓷只是不同基质受激发的光波长不同，但经调节LED芯片的，均可构建成白光LED器件。

Claims

1.一种透明陶瓷白光LED器件，其特征在于包括作为发光材料的块体透明陶瓷发光体，LED芯片以及承载LED芯片和透明陶瓷发光体的载体，载体开设有凹槽，LED芯片位于凹槽底部，透明陶瓷发光体直接叠放在LED芯片上或镶嵌在载体中。

2.按权利要求1所述的透明陶瓷白光LED器件，其特征在于所述的LED芯片为蓝光LED芯片或紫外LED芯片。

3.按权利要求1所述的透明陶瓷白光LED器件，其特征在于凹槽底部连接电源导线。

4.按权利要求1所述的透明陶瓷白光LED器件，其特征在于镶嵌在载体中的透明陶瓷发光体与LED芯片的距离≤5cm。

5.按权利要求1所述的透明陶瓷白光LED器件，其特征在于所述的透明陶瓷发光体的厚度为0.1-5mm。

6.按权利要求1或3所述的透明陶瓷白光LED器件，其特征在于所述的透明陶瓷发光体为在LED芯片激发下，发出一种或多波段的光。

7.按权利要求1、3或6所述的透明陶瓷白光LED器件，其特征在于所述的透明陶瓷为Tb、Pr、Eu、Nd、Tm、Dy和Ce一种或两种以上稀土离子掺杂的基质材料，实现发光调控，所述的基质材料为YAG或为Y₂O₃、LuAG、Lu₂O₃、Sc₂O₃、MgAl₂O₄、CaF₂和ZnS中的任一种。

8.按权利要求7所述的透明陶瓷白光LED器件，其特征在于所述的透明陶瓷为Ce³⁺掺杂的YAG材料，Ce³⁺的掺杂原子百分浓度为0.05-0.3％。