CN115851261B - 高显色指数PoCs荧光体及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高显色指数PoCs荧光体及其制备方法和应用，所述荧光体以Y₃Al₅O₁₂(YAG)基体荧光陶瓷为衬底，所述衬底上涂覆有红色荧光粉或绿色荧光粉。本发明在荧光陶瓷衬底表面涂覆荧光粉(如荧光红粉或者荧光绿粉)，避免了因荧光陶瓷透过率过高造成的蓝光直射和利用率低等问题，将直接穿透荧光陶瓷的蓝光反射回荧光陶瓷，被激活离子再次激发，提高蓝光利用效率。

Description

高显色指数PoCs荧光体及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于无机荧光材料技术领域，尤其涉及一种高显色指数陶瓷涂覆荧光粉层(PoCs)荧光转换体及其制备方法和在大功率LED封装中的应用。

背景技术

LED照明因其环境友好、亮度高、使用寿命长、节能等优点，成为新一代照明技术。LED照明的原理为：Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺(YAG:Ce)荧光材料受LED蓝光芯片激发，发出的黄光与部分未被吸收的蓝光混合实现白光发射。随着白光LED向数百上千瓦的大功率化方向发展，大功率LED对荧光材料提出了更高要求。大功率LED的封装密度高，在大电流(>1500mA)驱动下，COB光源的表面温度高达150～200℃。大功率LED的发展受限于传统的YAG:Ce荧光粉封装模式，传统的YAG:Ce荧光粉封装使用树脂或者硅胶等高分子胶进行封装，其热导率低(0.4Wm^-1K^-1)，热稳定性差，过高工作温度易使得出现LED色偏移、发光效率降低、使用寿命减少等问题。

与荧光粉胶封装模式相比，YAG:Ce荧光陶瓷具有更高热导率(约14W m^-1K^-1)、散热性能更佳，适用作大功率LED的荧光转换体。尽管YAG:Ce荧光陶瓷封装的大功率白光LED已经在体育场馆、机场等大空间照明领域实现商用化，但是这种封装方式因YAG:Ce发射光谱中缺少红光成分，导致白光LED的显色指数较低。近年来，以蓝宝石、硼硅酸盐玻璃、透明陶瓷为衬底进行荧光粉涂覆的荧光薄膜也发展的如火如荼，借助于衬底的优异散热性能，在衬底上涂覆荧光粉胶，经过固化后制得荧光薄膜。为了获得高显色指数的荧光薄膜，通常做法是在衬底上沉积绿色荧光粉LuAG:Ce、红色荧光粉CaAlSiN₃:Eu等多种混合荧光粉，但是荧光粉过多会严重降低光的透过率，光严重散射，影响LED的出光效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高显色指数陶瓷涂覆荧光粉层(PoCs)固态荧光体及其制备方法和应用。

本发明的技术方案如下：

一种高显色指数PoCs荧光体，所述荧光体以Y₃Al₅O₁₂(YAG)基体荧光陶瓷为衬底，所述衬底上涂覆有红色荧光粉或绿色荧光粉。

根据本发明，所述红色荧光粉或绿色荧光粉的涂覆厚度0.1-1mm。例如可以为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm。

根据本发明，将红色荧光粉或绿色荧光粉混合高分子胶后，再涂覆在衬底上。

根据本发明，所述高分子胶为聚酰亚胺、硅胶、硅树脂或环氧树脂。所述硅树脂优选为苯基乙烯基有机硅树脂。

根据本发明，步骤(1)中，绿色荧光粉或红色荧光粉与高分子胶的质量比为1:1～4，优选为1:1～2。

根据本发明，所述YAG基体荧光陶瓷为现有技术中的已知产品，例如其制备方法参见文献Weak thermal quenching and tunable luminescence in Ce:Y₃(Al,Sc)₅O₁₂transparent ceramics for high power white LEDs/LDs,Chem.Eng.J.2020,398,125486(DOI:10.1016/j.cej.2020.125486)；或Opt.Mater.Express,9,2019,3333-3341；或Adv.Mater.2020,32,1907888(10.1002/adma.201907888)等。例如Ce³⁺掺杂的Y_{3-x- y}Ce_xM_yAl_5-zN_zO₁₂荧光陶瓷，其中Ce³⁺的掺杂量为0.0001≤x≤0.1；M选自Lu、Tb或Gd，0≤y≤2.9999；N选自Ga、Sc或Mg-Si/Ca-Si，0≤z≤5，在蓝光或者紫外光LED芯片激发下，峰值波长在490nm～600nm；或者Mn⁴⁺掺杂的Y_3-mM_mAl_5-n-pMn_nR_pO₁₂荧光陶瓷，其中Mn⁴⁺掺杂量0.001≤n≤0.1，0.001≤p≤0.1；M为Lu、Tb或Gd，0≤m≤3；R为Mg、Ca、Ba或Sr；在蓝光或者紫外光LED芯片激发下，峰值波长在640nm～680nm。

根据本发明，所述Ce³⁺掺杂的Y_3-x-yCe_xM_yAl_5-zN_zO₁₂荧光陶瓷中，当M为Lu、Tb或Gd，N为Ga或Sc时，所述荧光陶瓷为绿光或黄光荧光陶瓷。

根据本发明，所述Ce³⁺掺杂的Y_3-x-yCe_xM_yAl_5-zN_zO₁₂荧光陶瓷中，当M为Lu、Tb或Gd，N为Mg/Ca-Si，所述荧光陶瓷为红光荧光陶瓷。

根据本发明，所述绿光或者黄光荧光陶瓷上涂覆红光荧光粉。

根据本发明，所述红光荧光陶瓷上涂覆绿光荧光粉。

根据本发明，所述的绿光荧光粉为GaYAG、ScYAG、LuAG:Ce，在蓝光或者紫外光LED芯片激发下，峰值波长在480nm～530nm。

根据本发明，所述的红光荧光粉为Sr₂SiO₄:Eu²⁺，Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺，CaAlSiN₃:Eu²⁺，α-SiAlON:Eu²⁺、LuAG:Mn⁴⁺，在蓝光或者紫外光LED芯片激发下，峰值波长在580nm～650nm。

本发明的另一目的在于提供所述的高显色指数PoCs荧光体的制备方法，所述的制备方法包括：

(1)将绿色荧光粉或红色荧光粉与高温胶混合，制备浆料；

(2)将步骤(1)中的浆料涂覆到衬底的表面；

(3)将步骤(2)中涂覆有浆料的衬底加热，制备得到PoCs荧光体。

根据本发明，步骤(2)中，可以采用旋涂法、喷涂法或丝网印刷法，将浆料涂覆在衬底表面。

根据本发明，步骤(3)中，加热的温度为100-500℃；加热的时间为0.5-4h。例如加热温度为100℃、200℃、300℃、400℃、450℃或500℃。

根据本发明，将步骤(3)中的反应产物急冷，制备得到PoCs荧光体。

作为本发明的一种优选实施方案，步骤(2)中，采用旋涂法的工艺流程为：①将红色荧光粉或绿色荧光粉与高温胶分子胶混合均匀后，形成稳定的浆料；②将荧光陶瓷衬底固定在转盘上，将步骤①中的浆料均匀滴加到荧光陶瓷衬底上，控制转速和浆料的滴加量，使得涂覆厚度为0.1-1mm，制备得到结合体；③将步骤②中的结合体放在烘箱中热处理，温度为100-500℃，时间为0.5-4h；④取出步骤③中产物，冷却得到PoCs固态荧光体。

作为本发明的一种优选实施方案，步骤(2)中，采用喷涂法工艺的流程为：①将红色荧光粉或绿色荧光粉与高温胶混合均匀后，形成稳定的浆料；②用喷涂机将步骤①中的浆料均匀喷涂到荧光陶瓷衬底上，通过喷射时间与喷射量来控制沉积的厚度为0.1-1mm；③将步骤②中的结合体放在烘箱中热处理，温度为100-500℃，时间为0.5-4h；④取出步骤③中产物，冷却得到PoCs固态荧光体。

作为本发明的一种优选实施方案，步骤(2)中，采用丝网印刷工艺的流程为：①将红色荧光粉或绿色荧光粉与高温胶混合均匀后，形成稳定的浆料；②用钢丝网将步骤①中的浆料均匀印刷到荧光陶瓷衬底上，通过钢丝网与荧光陶瓷之间的高度来控制沉积的厚度为0.1-1mm；③步骤②中的结合体放在烘箱中热处理，温度为100-500℃，时间为0.5-4h；④取出步骤③中产物，冷却得到PoCs固态荧光体。

本发明还提供了一种采用上述方法制备得到的高显色指数PoCs荧光体。

本发明还提供了上述PoCs荧光体在大功率白光LED器件中的应用。

本发明还提供了一种白光LED光源装置，所述光源装置含有上述PoCs固态荧光体。

根据本发明，所述白光LED光源装置还包括蓝光LED芯片激发光源。

根据本发明，所述光源装置的显色指数为75～98，发光效率为80～140lm/W。

本发明的有益效果：

本发明提供的高显色指数的PoCs固态荧光体，具有显色指数高、光效高、散热性强等优点，是一种适用于大功率白光LED器件的荧光转换体，在高显色指数、大功率密度白光LED照明器件等领域具有良好的应用前景。本发明提供的高显色指数高热导的PoCs固态荧光体制备方法，工艺简单，适合工业化生产。

(1)本发明在荧光陶瓷衬底表面涂覆荧光粉(如荧光红粉或者荧光绿粉)，避免了因荧光陶瓷透过率过高造成的蓝光直射和利用率低等问题，将直接穿透荧光陶瓷的蓝光反射回荧光陶瓷，被激活离子再次激发，提高蓝光利用效率。

(2)本发明通过在绿光或黄光荧光陶瓷表面涂覆荧光红粉，或者在红光基荧光陶瓷表面涂覆荧光绿粉，在LED蓝光激发下，实现红、绿、蓝三色调控，获得了高显色指数的PoCs固态荧光体。

(3)本发明以高热导率的荧光陶瓷为衬底，得到高热导的PoCs固态荧光体，适合用作大功率LED封装荧光转换体。

附图说明

图1为实施例1中PoCs固态荧光体的发射光谱图。

图2为实施例2中PoCs固态荧光体的发射光谱图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例1

(1)将发射波长为510nm的LuAG:Ce绿光荧光粉与高分子胶按照质量比1:1的比例混合，其中高分子胶的成分为硅胶，形成均匀浆料；

(2)利用旋涂工艺，将上述浆料均匀涂覆到发射波长为670nm的LuAG:Mn⁴⁺红光荧光陶瓷(其中，YAG基体荧光陶瓷为Mn⁴⁺掺杂的Lu₃Al_4.95Mn_0.01Mg_0.04O₁₂)表面，浆料涂覆的厚度控制为0.3mm，在400℃马弗炉中煅烧1h，取出急冷得到PoCs固态荧光体。

(3)对制备得到的PoCs固态荧光体进行热稳定性测试，结果表明，200℃的发光强度仍然保持其在25℃时的92％。

(4)将制备得到的PoCs固态荧光体与450nm蓝光芯片进行封装，测试其光色性能。发射光谱如图1所示，发射峰在LuAG:Mn⁴⁺在650nm和670nm红光的基础上补充了LuAG:Ce绿光荧光粉的510nm绿光，显色指数为78，发光效率达到115lm/W。

实施例1的结果说明采用本发明方法制备得到的PoCs固态荧光体具有优异的热性能和高显色指数。

实施例2

(1)将发射波长为670nm的LuAG:Mn⁴⁺红光荧光粉与高分子胶按照质量比1:1的比例混合，其中高分子胶为双酚A型环氧树脂，形成均匀浆料；

(2)利用旋涂工艺，将上述浆料均匀涂覆到发射波长为510nm的LuAG:Ce绿光荧光陶瓷(所述YAG基体荧光陶瓷为Lu_2.998Ce_0.002Al₅O₁₂)表面，浆料涂覆的厚度控制为0.2mm，在300℃马弗炉中煅烧1h，取出急冷得到PoCs固态荧光体。

(3)对制备得到的PoCs固态荧光体进行热稳定性测试，结果表明，200℃的发光强度仍然保持其在25℃时的95％。

(4)将制备得到的PoCs固态荧光体与450nm蓝光芯片进行封装，测试其光色性能。发射光谱如图2所示，发射峰在LuAG:Ce³⁺在510nm绿光的基础上补充了Mn⁴⁺在650nm和670nm红光发射，显色指数为82，发光效率达到105lm/W。

说明采用本发明方法制备得到的PoCs固态荧光体具有优异的散热性能和较高显色指数。

实施例3

(1)将发射波长为610nm的Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺红光荧光粉与高分子胶按照质量比1:2的比例混合，其中高分子胶的成分为苯基乙烯基有机硅树脂，形成均匀浆料；

(2)利用旋涂工艺，将上述浆料均匀涂覆到发射波长为510nm的LuAG:Ce绿光荧光陶瓷(所述YAG基体荧光陶瓷为Lu_2.999Ce_0.001Al₅O₁₂)表面，浆料涂覆的厚度控制为0.4mm，在450℃马弗炉中煅烧1h，取出急冷得到PoCs固态荧光体；

(3)对制备得到的PoCs固态荧光体进行热稳定性测试，结果表明，200℃的发光强度仍然保持其在25℃时的90％。

(4)将制备得到的PoCs固态荧光体与450nm蓝光芯片进行封装，测试其光色性能，发射峰在LuAG:Ce的510nm绿光发射的基础上补充了Eu²⁺在610nm的红光成分，显色指数为85，发光效率达到95lm/W。

说明采用本发明方法制备得到的PoCs固态荧光体具有优异的散热性能和高显色指数。

以上，对本发明的实施方式进行了示例性的说明。但是，本发明的保护范围不拘囿于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种荧光体的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：

（1）将绿色荧光粉与高分子胶混合，制备浆料；

（2）将步骤（1）中的浆料涂覆到衬底的表面；

（3）将步骤（2）中涂覆有浆料的衬底加热，制备得到荧光体；

所述荧光体以Y₃Al₅O₁₂基体荧光陶瓷为衬底，所述荧光陶瓷为红光荧光陶瓷；所述Y₃Al₅O₁₂基体荧光陶瓷为Ce³⁺掺杂的荧光陶瓷，或为Mn掺杂的Lu₃Al_4.95Mn_0.01Mg_0.04O₁₂；

所述Ce³⁺掺杂的荧光陶瓷中，当M为Lu、Tb或Gd，N为；其中，0.0001≤x≤0.1，0≤y≤2.9999；0≤z≤5；

所述的绿光荧光粉为GaYAG、ScYAG、LuAG:Ce，在蓝光或者紫外光LED芯片激发下，峰值波长在480nm~530nm；

步骤（3）中，加热的温度为300-500℃。

2.一种荧光体的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：

（1）将红色荧光粉与高分子胶混合，制备浆料；

（2）将步骤（1）中的浆料涂覆到衬底的表面；

（3）将步骤（2）中涂覆有浆料的衬底加热，制备得到荧光体；

所述荧光体以Y₃Al₅O₁₂基体荧光陶瓷为衬底，所述荧光陶瓷为绿光荧光陶瓷；所述Y₃Al₅O₁₂基体荧光陶瓷为Ce³⁺掺杂的荧光陶瓷；

所述Ce³⁺掺杂的Y_3-x-y Ce _x M _y Al_5-z N _z O₁₂荧光陶瓷中，当M为Lu、Tb或Gd，N为Ga或Sc时，其中，0.0001≤x≤0.1，0≤y≤2.9999；0≤z≤5；

所述红光荧光粉为Sr₂SiO₄:Eu²⁺，Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺，CaAlSiN₃:Eu²⁺，α-SiAlON:Eu²⁺、LuAG:Mn⁴⁺，在蓝光或者紫外光LED芯片激发下，峰值波长在580nm~650nm；

步骤（3）中，加热的温度为300-500℃。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述红色荧光粉或绿色荧光粉的涂覆厚度0.1-1mm。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述高分子胶为聚酰亚胺、硅胶、硅树脂、环氧树脂中的至少一种。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，绿色荧光粉或红色荧光粉与高分子胶的质量比为1:1~4。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，加热的时间为0.5-4h。

7.权利要求1-6任一项所述方法制备的荧光体在大功率白光LED器件中的应用。

8.一种白光LED光源装置，其特征在于，所述光源装置含有权利要求1-6任一项所述方法制备的荧光体。