CN104119071B - 一种采用新型透明陶瓷的led灯具 - Google Patents

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Abstract

一种采用改进YAG透明陶瓷的白光LED灯，包括发射波长为450-480nm的氮化镓芯片和经过改进的YAG透明陶瓷，所述透明陶瓷的烧制原料由以下重量份的原料组成，Al2O3220-300份，Y2O3300-380份，SiO260-75份，CeO215-20份，Pr2O35-10份，Eu2O32-5份，Lu2O32-4份，LiF1-2份，B2O33-5份，SiC3-5份，CaO0.5-1份，所述原料的纯度都在99.99wt％以上，所述的白光LED灯的色温为4000-5000K，显色指数为60-70％。与现有技术相比，该LED灯具，透光度，显色指数和色温方面所有改进，具有寿命长，发光效率高的特点。

Description

一种采用新型透明陶瓷的LED灯具
技术领域
本发明涉及一种白光LED灯具，尤其是一种使用改进的YAG(钇铝石榴石)透明陶瓷材料的LED灯。
背景技术
白光LED自问世以来，便因其使用寿命长、高效节能、绿色环保等优点被誉为继白炽灯、荧光灯、气体放电之后的***照明光源，被广泛应用于LCD、手机、数码相机等领域。近几年来，随着以白光LED为主的半导体照明产业的飞速发展，白光LED在固态照明方面显示出了巨大的市场潜力和应用前景，引起了各国政府、公司及科研院所的高度重视，纷纷设立专门的机构推动半导体照明技术的发展。
目前白光LED是利用蓝光LED激发黄色荧光粉涂覆层发出黄光，进而蓝光与黄光复合后发出白光。这种白光LED具有寿命长、绿色环保等特点，蕴含巨大市场潜力和应用前景。
黄色荧光粉的主要成分是铈掺杂的钇铝石榴石(YAG:Ce)。传统的粉体封装白光LED采用环氧树脂或者硅胶固定蓝光芯片，制备出白光LEO的缺点有：一方面由于涂敷在芯片表面的荧光粉与硅胶混合层的厚度很难控制，白光相关色温(CCT)角向分布不均匀，导致出射白光有蓝圈、黄圈的现象；另一方面白光LED的寿命短、稳定性差。同时，由于蓝色LED芯片散发的热量和短波辐射，导致用于固定蓝色LED芯片上荧光粉的有机材料透光率下降，使得白光LED的寿命趋于缩短；由于荧光粉紧贴芯片发热源，温升导致荧光粉性能劣化，影响了产品的稳定性。
解决这些问题的关键在于改变荧光粉的封装方式。近几年，人们尝试将陶瓷的均匀性高、稳定性好及使用寿命长等特点，利用在白光LED的封装上，对YAG:Ce陶瓷进行大量的研究，并取得了一定的成果。
2005年，日本电气玻璃公司首先制备出用于白光LED的Ce:YAG微晶玻璃陶瓷荧光体，由于它兼有玻璃和陶瓷的许多优点，如坚硬、耐热、耐潮湿、耐腐蚀等，用在白光LED封装上取得了不错的效果。
Jong等人研究荧光粉远置封装方式，既降低了荧光粉温度，又减少了芯片对荧光粉散射光的吸收，提高了出光效率。Shunsuke等人研究玻璃陶瓷荧光粉，但由于玻璃基质为Al2O3-SiO2，且采用传统的高温固相法，所以制备温度高达1500～1650℃。
中国专利CN102501478A公开了一种用于白光LED荧光转换的复合透明陶瓷及其制备方法，该复合透明陶瓷由上下两层透明陶瓷粘合而成，上层透明陶瓷采用Pr改性的YAG透明陶瓷，下层采用Ce改性的YAG透明陶瓷。采用蓝光LED激发该复合透明陶瓷，产生的红光和透过的蓝光形成高品质的白光，具有显色指数高，色温温和的特点。
中国专利CN102390982A公开了一种发白光的低温共烧陶瓷材料及其制备方法，该陶瓷材料各组分的摩尔百分比为：CaO:10-20％，B2O3:50-60％，SiO2:50-60％，光激活剂离子1-9％。该陶瓷采用Sol-gol法，烧结温度较低，收缩率在13-17％之间。制备出的陶瓷材料可以用于照明及显示等领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高功率LED照明领域的使用改进的Ce:YAG透明陶瓷材料的LED灯具，与现有技术相比，该LED灯具在显色指数和色温方面有改进。具有热导率高，化学稳定性好，寿命长，发光效率高的特点。
本发明在传统的Ce:YAG透明陶瓷材料增加了添加剂SiO2，其含量对于对钇铝石榴石基质的表面形貌，晶体结构和相纯度有重要的影响，本发明利用传统的固相法优化和改进YAG:Ce远程荧光体的制备工艺，优化了SiO2的掺杂质量比，本发明人意外的发现当SiO2的掺杂比例在10-15％时候，得到的改性YAG陶瓷的透明度和透光率最大，同时适量的SiO2的可以降低Ce:YAG透明陶瓷材料的煅烧温度。适量的SiO2加入Ce:YAG透明陶瓷材料后形成了固溶胶，有助于在晶体结构中形成空位，从而提高透光度。
本发明人还从常用的稀土添加剂中优选出LiF和Pr2O3、Eu2O3、Lu2O3引入陶瓷体系中，增加的稀土元素改善了晶体场的周围环境，引起了能级的***，导致了发射峰位迁移，使得制备的透明陶瓷经过蓝光照射，使得陶瓷的发射光谱发生适当的红移，采用该陶瓷制备出的LED灯具发出的光线更接近于自然日光，色温控制在4000-5000K，此外少量LiF和稀土元素Pr2O3、Eu2O3、Lu2O3的引入还有助于提高发光强度。优选Pr2O3、Eu2O3、Lu2O3的质量比为1-2:1:1。
B2O3、SiC和CaO的引入，改善了陶瓷中晶粒粒度大小和分布，降低了焙烧引起的陶瓷收缩率，从而进一步改善了陶瓷的品质。
本发明的改进之处还在于煅烧工艺的改善，本发明采用先在较高温度下煅烧一段时间后再降温到较低温度下煅烧一段时间。这样的处理工艺使得晶粒尺寸减小，从而进一步提高透明陶瓷的透光度。
一种使用经过改进的YAG透明陶瓷的白光LED灯，包括发射波长为450-480nm的氮化镓芯片和经过改进的YAG透明陶瓷，所述YAG透明陶瓷由以下重量份的原料组成烧制而成，Al2O3220-300份，Y2O3300-380份，SiO260-75份，CeO215-20份，Pr2O35-10份，Eu2O32-5份，Lu2O32-4份，LiF1-2份，B2O33-5份，SiC3-5份，CaO0.5-1份，所述原料的纯度都在99.99wt％以上。
所述透明陶瓷中SiO2的质量百分比优选控制在10-15％，更优选是12-14％。
所述的透明陶瓷在可见光区的光线透过率达到65％-75％。
所述透明陶瓷的色温为4000-5000k。
所述透明陶瓷在制备的过程中采用两段法焙烧，焙烧温度分别控制在1250-1300℃和1520-1580℃。
一种制备用于白光LED灯的YAG透明陶瓷的方法，其包括以下步骤：
a)将按照比例配制好的原料颗粒加入无水乙醇，用球磨机进行粉碎，出料经过烘干过筛后得到原料粉末；
b)对步骤a)得到的原料粉末进行干压成型，控制压力为50-100MPa，保持时间为1-10分钟；
c)对步骤b)中得到的成型素胚进行真空煅烧，煅烧的温度控制在1520-1580℃，煅烧时间为7-10小时，煅烧压力为10-20MPa；
d)经过步骤b)真空煅烧后，降温到1250-1300℃，煅烧时间为12-15小时，煅烧压力为5-10MPa，得到所述透明陶瓷。
步骤a)中所述过筛后得到的原料粉末的粒度小于20微米。
所述步骤c)的煅烧温度优选控制在1260℃。
所述步骤d)的煅烧温度控制在1550℃。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步阐述本发明，应该注意的是，这些实施例仅用于举例说明本发明的技术方案而不是限定本发明的保护范围。
实施例1
透明陶瓷的质量组成为：Al2O3280份，Y2O3360份，SiO265份，CeO220份，Pr2O310份，Eu2O35份，Lu2O34份，LiF2份，B2O35份，SiC5份，CaO01份。将上述原料进行预混合，放入球磨机中，加入无水乙醇500ml，然后球磨10小时，在100℃烘箱中烘干，研磨后过600目筛。然后在80MPa压力下压制成素胚，然后将粗胚放置在坩埚中。加热到1250℃，升温速度为20℃/min，保温7小时，以10℃/min的速度升温到1520℃后并保温12小时，然后自然冷却。最后对烧制的透明陶瓷进行打磨和抛光，及得到透明陶瓷产品A1。
实施例2
透明陶瓷的质量组成为：Al2O3260份，Y2O3320份，SiO240份，CeO215份，Pr2O35份，Eu2O32份，Lu2O32份，LiF1份，B2O33份，SiC3份，CaO0.5份。将上述原料进行预混合，放入球磨机中，加入无水乙醇500ml，然后球磨10小时，在100℃烘箱中烘干，研磨后过600目筛。然后在100MPa压力下压制成素胚，然后将粗胚放置在坩埚中。加热到1300℃，升温速度为20℃/min，保温10小时，以10℃/min的速度升温到1580℃后并保温15小时，然后自然冷却。最后对烧制的透明陶瓷进行打磨和抛光，及得到透明陶瓷产品A2。
对比例1
对比例1采用和实施例1基本的原料组成，不同之处在于将SiO2的加入量改为100份。
透明陶瓷的质量组成为：Al2O3280份，Y2O3360份，SiO2100份，CeO220份，Pr2O310份，Eu2O35份，Lu2O34份，LiF2份，B2O35份，SiC5份，CaO01份。将上述原料进行预混合，放入球磨机中，加入无水乙醇500ml，然后球磨10小时，在100℃烘箱中烘干，研磨后过600目筛。然后在80MPa压力下压制成素胚，然后将粗胚放置在坩埚中。加热到1520℃，升温速度为20℃/min，保温7小时，以10℃/min的速度升温到1250℃后并保温12小时，然后自然冷却。最后对烧制的透明陶瓷进行打磨和抛光，及得到透明陶瓷产品D1。
对比例2
对比例2采用和实施例1相同的原料组成，不同之处在于将煅烧阶段改为一个温度下煅烧。
透明陶瓷的质量组成为：Al2O3280份，Y2O3360份，SiO2100份，CeO220份，Pr2O310份，Eu2O35份，Lu2O34份，LiF2份，B2O35份，SiC5份，CaO01份。将上述原料进行预混合，放入球磨机中，加入无水乙醇500ml，然后球磨10小时，在100℃烘箱中烘干，研磨后过600目筛。然后在80MPa压力下压制成素胚，然后将粗胚放置在坩埚中。加热到1520℃，升温速度为20℃/min，保温20小时，然后自然冷却。最后对烧制的透明陶瓷进行打磨和抛光，及得到透明陶瓷产品D2。
对比例3
对比例3采用的原料组成中没有添加LiF、Pr2O3、Eu2O3和Lu2O3。
透明陶瓷的原料质量组成为：Al2O3280份，Y2O3360份，SiO255份，CeO220份，B2O35份，SiC5份，CaO01份。将上述原料进行预混合，放入球磨机中，加入无水乙醇500ml，然后球磨10小时，在100℃烘箱中烘干，研磨后过600目筛。然后在80MPa压力下压制成素胚，然后将粗胚放置在坩埚中。加热到1250℃，升温速度为20℃/min，保温7小时，以10℃/min的速度升温到1520℃后并保温12小时，然后自然冷却。最后对烧制的透明陶瓷进行打磨和抛光，及得到透明陶瓷产品D3。
将制备得到的所有陶瓷片的都打磨成0.3mm的薄片，以发射波长为460nm的氮化镓作为发射光源，封装得到的LED灯的性能如表1所示：
表1

Claims (7)

1.一种使用经过改进的YAG透明陶瓷的白光LED灯，包括发射波长为450-480nm的氮化镓芯片和经过改进的YAG透明陶瓷，其特征在于，所述YAG透明陶瓷由以下重量份的原料组成烧制而成，Al2O3220-300份，Y2O3300-380份，SiO260-75份，CeO215-20份，Pr2O35-10份，Eu2O32-5份，Lu2O32-4份，LiF 1-2份，B2O33-5份，SiC 3-5份，CaO 0.5-1份，所述原料的纯度都在99.99wt％以上，YAG透明陶瓷的厚度为0.2-0.6mm，白光LED灯的色温为4000-5000k，显色指数为60-70％。
2.根据权利要求1中所述白光LED灯，其特征在于所述YAG透明陶瓷的厚度为0.2-0.3mm。
3.根据权利要求1所述的白光LED灯，其特征在于其发光效率为100-150lm/W。
4.根据权利要求1所述的白光LED灯，其特征在于其发光效率为110-130lm/W。
5.根据权利要求1所述的白光LED灯，其特征在于所述透明陶瓷的制备方法包括以下步骤：
a)将按照比例配制好的原料颗粒加入无水乙醇，用球磨机进行粉碎，出料经过烘干过筛后得到原料粉末；
b)对步骤a)得到的原料粉末进行干压成型，控制压力为50-100MPa，保持时间为1-10分钟；
c)对步骤b)中得到的成型素胚进行真空煅烧，煅烧的温度控制在1250-1300℃，煅烧时间为7-10小时，煅烧压力为10-20MPa；
d)经过步骤c)真空煅烧后，升温到1520-1580℃，煅烧时间为12-15小时，煅烧压力为5-10MPa，得到所述YAG透明陶瓷。
6.根据权利要求5所述白光LED灯，其特征在于步骤a)中所述过筛后得到的原料粉末的粒度小于20微米。
7.根据权利要求5所述白光LED灯，其特征在于步骤c)中的煅烧温度是1260℃，步骤d)中的煅烧温度是1550℃。
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