TW201910485A - 螢光材料與發光裝置 - Google Patents

Abstract

螢光材料的組成為Sr_1-y (Li_1-x Si_x )(Al_1-x Mg_x )₃ N₄ : Eu²⁺ _y ，其中0＜x≤0.4；以及0＜y≤0.1。上述Sr_1-y (Li_1-x Si_x )(Al_1-x Mg_x )₃ N₄ 為主體材料，而Eu²⁺ 為發光中心。上述螢光材料可搭配激發光源以用於發光裝置。上述發光裝置可用於植物照明。另一方面，上述螢光材料可搭配其他顏色的螢光材料，以用於白光發光裝置。

Description

螢光材料與發光裝置

本發明關於螢光材料，更特別關於其於發光裝置之應用。

白光發光二極體(white light emitting diodes；WLEDs)的種類大致可分為下列數種：第一種為藍色LED晶片上形成黃色螢光粉，第二種為藍色LED晶片上形成綠色和紅色螢光粉，第三種利用紅、綠、與藍色LED晶片混光後形成白光，第四種在紫外光LED晶片上形成紅、綠、藍三色或多種顏色的螢光粉。

白光LED相較於傳統白熾燈泡，擁有壽命長、耗電量低、體積小、反應速度快、耐震性佳等優點，逐漸取代傳統照明設備。預期未來白光LED將可望取代傳統照明產品，成為全球照明市場的新主流。

除封裝技術外，螢光粉也是影響光源發光效率之重要因素。如何調整螢光粉的成份以增加螢光轉換效率，也是世界各大光電半導體廠與照明大廠致力研究的方向之一。傳統單一藍光晶片激發黃色螢光粉所形成之白光，其演色性不佳，即被照射物的色彩飽和度差，降低了在商業照明上的使用價值。與此相較，在藍色LED晶片上塗佈綠色和紅色螢光粉能產生演色性較佳的白光。綜上所述，目前亟需不同的螢光粉組成以用於白光發光裝置。

本發明一實施例提供之螢光材料，其組成為Sr_1-y (Li_1-x Si_x )(Al_1-x Mg_x )₃ N₄ : Eu²⁺ _y ；其中0＜x£0.4；以及0＜y£0.1。

本發明一實施例提供之發光裝置，包括：上述之螢光材料；以及激發光源。

本發明實施例提供之螢光材料，其組成為：Sr_1-y (Li_1-x Si_x )(Al_1-x Mg_x )₃ N₄ : Eu²⁺ _y （以下簡稱第一螢光材料）。在上述組成中，Sr_1-y (Li_1-x Si_x )(Al_1-x Mg_x )₃ N₄ 為主體材料，而Eu²⁺ 為發光中心。0＜x£0.4，且0＜y£0.1。在一些實施例中，0.1£x£0.2。若x之比例過低，則發光波峰偏短，無法達到所需的波峰範圍。若x之比例過高，則光致放光強度不足。在一些實施例中，0.02£y£0.05。若y之比例過低，則上述組成無光致發光的特性(y=0)或光致發光強度不足。若y過高，則會造成濃度淬息效應，使發光強度下降。

上述第一螢光材料之形成法可為燒結。首先依化學計量秤取適當莫耳比之鍶源(如Sr₃ N₂ 或其他合適的含鍶材料)、鋰源(Li₃ N或其他合適的含鋰材料)、鎂源(如Mg₃ N₂ 或其他合適的含鎂材料)、矽源(如Si₃ N₄ 或其他合適的含矽材料)、鋁源(如AlN或其他合適的含鋁材料)、與銪源(如Eu₃ N₂ 或其他合適的含銪材料)，均勻混合後研磨，放入坩鍋後置入高溫爐，於1000℃至1200℃的溫度與0.5MPa至0.9MPa的氮氣中燒結約3至10小時後，即可得上述之第一螢光材料。上述第一螢光材料可進一步研磨成粉以利後續應用。在一實施例中，上述第一螢光材料的激發波峰介於460 nm至490 nm之間，且其放射波峰介於660 nm至690 nm之間。

在另一實施例中，可取x莫耳份的SrSiMg₃ N₄ :Eu²⁺ 與1-x莫耳份的SrLiAl₃ N₄ :Eu²⁺ 均勻混合後研磨，放入坩鍋後置入高溫爐，於1000℃至1200℃的溫度與0.5MPa至0.9MPa的氮氣中燒結約3約10小時後，亦可得上述第一螢光材料Sr_1-y (Li_1-x Si_x )(Al_1-x Mg_x )₃ N₄ ，其中0＜x£0.4，且0＜y£0.1。由上述可知，第一螢光材料可視作SrLiAl₃ N₄ :Eu²⁺ 之晶體中，共摻雜鎂離子與矽離子的固態溶液。

上述第一螢光材料的形成步驟需在無氧環境下如手套箱中進行，不過其步驟簡易且可大量合成，因此適合商業化以用於發光裝置中。

由於上述第一螢光材料其激發波峰屬於藍光，因此可與激發波峰介於440 nm至490 nm之間的波長轉換材料（以下簡稱第二波長轉換材料）混合分布於光學膠。接著以放射波峰介於440 nm至490 nm之間的發光二極體激發第一螢光材料與第二波長轉換材料，使其放射紅光(波峰介於660 nm至690 nm之間)與綠光(波峰介於510 nm至560 nm之間)。如此一來，穿過光學膠之藍光，與第一螢光材料與第二波長轉換材料經藍光激發後放射之紅光與綠光混合成演色度較佳之白光。另一方面，亦可直接以上述發光二極體激發第一螢光材料以產生波峰介於660 nm至690 nm的紅光，且此紅光可直接用於植物照明。

在一實施例中，選用紫外光作為激發光源。可採用激發波峰為紫外光(波峰介於250 nm至400 nm之間)之藍光波長轉換材料(激發波峰介於300 nm至400 nm之間，且放射波峰介於440 nm至490 nm之間，以下簡稱第三波長轉換材料)。將上述第一螢光材料與第三波長轉換材料混合分散於光學膠中，以紫外光激發第三波長轉換材料以產生波峰介於440 nm至490 nm之間的藍光，且上述藍光可激發第一螢光材料以產生紅光。上述紅光可用於植物照明。

在一實施例中，亦可將激發波峰為紫外光(波峰介於300 nm至400 nm之間)的第二波長轉換材料、激發波峰為紫外光的第三波長轉換材料、與上述第一螢光材料混合分散於光學膠中。如此一來，紫外光的激發光源可激發第三波長轉換材料與第二波長轉換材料以形成藍光(波峰介於440 nm至490 nm之間)與綠光(波峰介於510 nm至560 nm之間)，且藍光可激發第一螢光材料以形成紅光(波峰介於660 nm至690 nm之間)。如此一來，第三波長轉換材料與第二波長轉換材料經紫外光激發後放射的藍光與綠光，與第一螢光材料經藍光激發後放射的紅光混合成演色度較佳之白光。

在一實施例中，亦可將激發波峰為藍光(波峰介於440 nm至490 nm之間)的第二波長轉換材料、激發波峰為紫外光的第三波長轉換材料、與上述第一螢光材料混合分散於光學膠中。如此一來，紫外光的激發光源可激發第三波長轉換材料以形成藍光(波峰介於440 nm至490 nm之間)，且藍光可激發第二波長轉換材料與第一螢光材料以形成紅光與綠光。如此一來，第三波長轉換材料經紫外光激發後放射的藍光，與第一螢光材料與第二波長轉換材料經藍光激發後放射之紅光與綠光混合成演色度較佳之白光。值得注意的是，若以紫外光做激發光源，在發光裝置最外側應設置紫外光濾光片以避免傷害使用者眼睛。上述之激發光源可來自於發光二極體、雷射二極體、或其他合適之發光裝置。

在一實施例中，上述第二或第三波長轉換材料可包含無機的螢光粉(phosphor)、有機分子螢光色素(organic fluorescent colorant)、半導體材料(semiconductor)、或上述材料的組合。第三波長轉換材料的螢光粉包含BaMgAl₁₀ O₁₇ ：Eu²⁺ (BAM)或(Ba, Sr, Ca)₃ MgSi₂ O₈ ：Eu²⁺ 。第二波長轉換材料的螢光粉包含Lu₃ Al₅ O₁₂ ：Ce或β-SiAlON：Eu。半導體材料包含奈米尺寸結晶體(nano crystal)的半導體材料，例如量子點(quantum-dot)發光材料。

為了讓本揭露之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖示，作詳細說明如下：

實施例

在下述實施例中，Sr₃ N₂ 購自Advanced Chemicals (99.8 %, 60 mesh)，Li₃ N購自Advanced Chemicals (99.5 %, 60 mesh)，Si₃ N₄ 購自Aldrich (99.5 %, 325 mesh)，AlN購自Advanced Chemicals (99 %, 200 mesh)，Mg₃ N₂ 購自Alfa-Aesar (99.6 %, 325 mesh)，且Eu₃ N₂ 購自MATERION(99.9 %, 325 mesh)。氣壓燒結爐係購自AIP之AIP6-30H。樣品粉末的X光繞射圖譜係由D2-Phaser A26-X1-A2B0B2A desktop diffractometer量測而得。樣品粉末的激發光譜與放射光譜係由HORIBA之FluoroMax-3 spectrophotometer量測而得。

比較例1 (Sr_0.98 LiAl₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 )

在手套箱中依計量比秤取Sr₃ N₂ 、Li₃ N、AlN、與Eu₃ N₂ 後，以研缽研磨混合20分鐘，再置入氣壓燒結爐中，於0.9MPa之氮氣下加熱至1100℃並燒結4小時。之後將燒結物冷卻至室溫以得螢光材料Sr_0.98 LiAl₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 ，並以研缽研磨以得粉末。上述螢光材料之X光繞射圖譜如第1圖所示，激發光譜如第2圖所示，且放射光譜如第3圖所示。

比較例2 (Sr_0.98 SiMg₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 )

在手套箱中依計量比秤取Sr₃ N₂ 、Si₃ N₄ 、Mg₃ N₂ 、與Eu₃ N₂ 後，以研缽研磨混合20分鐘，再置入氣壓燒結爐中，於0.9MPa之氮氣下加熱至1100℃並燒結4小時。之後將燒結物冷卻至室溫以得第一螢光材料Sr_0.98 SiMg₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 ，並以研缽研磨以得粉末。上述紅光螢光材料之X光繞射圖譜如第1圖所示，激發光譜如第2圖所示，且放射光譜如第3圖所示。

實施例1 (Sr_0.98 (Li_0.9 Si_0.1 )(Al_0.9 Mg_0.1 )₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 )

在手套箱中依計量比秤取Sr₃ N₂ 、Li₃ N、Si₃ N₄ 、AlN、Mg₃ N₂ 、與Eu₃ N₂ 後，以研缽研磨混合20分鐘，再置入氣壓燒結爐中，於0.9MPa之氮氣下加熱至1100℃並燒結4小時。之後將燒結物冷卻至室溫以得第一螢光材料Sr_0.98 (Li_0.9 Si_0.1 )(Al_0.9 Mg_0.1 )₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 ，並以研缽研磨以得粉末。上述第一螢光材料之X光繞射圖譜如第1圖所示，激發光譜如第2圖所示，且放射光譜如第3圖所示。

實施例2 (Sr_0.98 (Li_0.8 Si_0.2 )(Al_0.8 Mg_0.2 )₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 )

與實施例1類似，差別在於x值由0.1改為0.2。至於其他反應物之用量與製程步驟則與實施例1類似。上述第一螢光材料之X光繞射圖譜如第1圖所示，激發光譜如第2圖所示，且放射光譜如第3圖所示。

實施例3 (Sr_0.98 (Li_0.7 Si_0.3 )(Al_0.7 Mg_0.3 )₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 )

與實施例1類似，差別在於x值由0.1改為0.3。至於其他反應物之用量與製程步驟則與實施例1類似。上述第一螢光材料之X光繞射圖譜如第1圖所示，激發光譜如第2圖所示，且放射光譜如第3圖所示。

實施例4 (Sr_0.98 (Li_0.6 Si_0.4 )(Al_0.6 Mg_0.4 )₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 )

與實施例1類似，差別在於x值由0.1改為0.4。至於其他反應物之用量與製程步驟則與實施例1類似。上述第一螢光材料之X光繞射圖譜如第1圖所示，激發光譜如第2圖所示，且放射光譜如第3圖所示。

由第1圖可知，實施例1至4的第一螢光材料的X光繞射圖譜，並非不同比例的Sr_0.98 LiAl₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 與Sr_0.98 SiMg₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 的X光繞射圖譜之疊合。由此可知，實施例1至4的第一螢光材料為化合物，而非Sr_0.98 LiAl₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 與Sr_0.98 SiMg₃ N₄ :Eu²⁺ _0.02 的混合物。

另一方面，上述第一螢光材料之放射波峰(介於660 nm至690 nm之間)並非介於SrLiAl₃ N₄ :Eu²⁺ 的放射波峰(約650 nm)與SrSiMg₃ N₄ :Eu²⁺ 的放射波峰(約615 nm)之間，而是大於上述兩者，此亦屬不可預期的性質。隨著x值增加，第一螢光材料的放射波峰也逐漸紅移，且放射強度隨之下降。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

無。

第1圖係本發明實施例中，不同螢光粉的X光繞射圖譜。

第2圖係本發明實施例中，不同螢光粉的激發光譜。

第3圖係本發明實施例中，不同螢光粉的放射圖譜。

無。

無。

Claims (10)

1. 一種螢光材料，其組成為： Sr_1-y (Li_1-x Si_x )(Al_1-x Mg_x )₃ N₄ :Eu²⁺ _y ； 其中0＜x£0.4；以及 0＜y£0.1。
2. 如申請專利範圍第1項之螢光材料，其中，0.1£x£0.2。
3. 如申請專利範圍第1項之螢光材料，其中，0.02£y£0.1 。
4. 如申請專利範圍第1項之螢光材料，其激發波峰介於460 nm至490 nm之間，且其放射波峰介於660 nm至690 nm之間。
5. 如申請專利範圍第1項之螢光材料，其激發波峰的波長與放射波峰的波長相差75 nm以上。
6. 一種發光裝置，包括： 申請專利範圍第1項所述之螢光材料；以及 一激發光源。
7. 如申請專利範圍第6項之發光裝置，其中該激發光源為放射波峰介於440 nm至490 nm之間的發光二極體。
8. 如申請專利範圍第6項之發光裝置，係用於植物照明。
9. 如申請專利範圍第6項之發光裝置，更包括一波長轉換材料，其中該波長轉換材料的放射波峰介於510 nm至560 nm之間。
10. 如申請專利範圍第9項之發光裝置，係可發出白光。