专利名称：白色光源及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种白色光源及其制作方法，特别涉及一种利用蓝光二极管及可受蓝光激发而发出黄光的钇铝石榴石材料所构成的白色光源制作方法。
照明灯具乃现代生活之必需，具统计全世界用于照明的电力约为总用电量的40％，因此对于省电灯具的开发，乃举世渴求之科技。最近(1996年9月)日本的日亚化学公司(Nichia Chemical)开发的以发黄光系列的钇铝石榴石(Y3Al5O12，Yttrum Aluminum-Garnet(YAG))萤光粉配合蓝光发光二极管，可制作出高效率的白色光源，其中此钇铝石榴石萤光粉受到蓝光发光二极管的蓝光照射后发出黄光，此黄光与原有二极管的蓝光混合后，即可产生白光。此白光二极管在极低电流(20mA)下的发光特性，其色温(8000K)可媲美太阳光色的日光灯，色彩再现度接近高性能的日光灯(三波长型)，平均每个的亮度为1瓦或是5流明，两个即可超过汽车的室内灯(8流明)，与传统以三原色发光二极管晶粒组成的白色发光二极管的元件比较，其构造简单，制作成本可以降低一半，并且毋需担心因个别单色发光二极管劣化而颜色不均匀问题。此白色发光二极管灯具用电量低、可节省能源，且其未来将可应用于汽车操作仪表板周边装置、液晶背光、室内照明、笔记型电脑显示器、扫描器、传真机与军事照明等用途。
日亚公司于世界专利(WO98/5078)中所揭示的萤光粉配方为(Re1-rSmr)3(Al1-sGas)5O12，其中0≤r＜1，0≤s≤1，而Re为钇(Y)或是钆(Gd)，此配方中，铈(Ce)以外添加方式加入，如其于专利文件中所提之配方(Y1-xGdx)3Al5O12(0≤x≤0.8)，其中铈(Ce)的外添加摩尔数为0.003，即铈(Ce)未与钇(Y)或是钆(Ge)形成计量比总和为3的固态溶液(solid solution)，亦即[(1-x)+x]×3+0.003＝3.003。而此种方式所形成的萤光粉，往往会因成分之偏差，易形成杂质相而降低其品质，如需形成计量比总和为3的固态溶液，则需加入钐(Sm)元素，使之形成以(Y1-p-q-rGdpCeqSmr)3(Al1-sGas)5O12(其中，0≤P≤0.8，0.003≤q≤0.2，0.0003≤r≤0.08，0≤s≤1)。亦即铈(Ce)及钐(Sm)要同时存在，才会形成铈(Ce)、钇(Y)、钆(Gd)与钐(Sm)的计量比总和为3{亦即[(1-p-q)+p+q+r]×3＝3，其中q及r均不等于0}。
此外一般所制作的InGaN型蓝光发光二极管于制作中复杂的成长条件会使所发出的蓝光难以控制在一定的波长，所以通常所制作出来的蓝光波长在430～470nm之间，且有40nm左右的变动，而日亚公司所揭示的萤光粉仅能适用于一特定波长，因此在实际用途中无法达到纯且高亮度的白光。
本发明的目的之一即在于提供一种白色光源，其中采用了一种可调整工作波长的黄色萤光粉，达到配合波长范围在430～470um的蓝光光源，产生高纯度的白光的目的。
本发明的目的之二在于提出一种白色光源的制作方法，仅需简单调整单一成分即可配合现有蓝光光源波长范围，制作可发出纯且高亮度的白色光源。
本发明提出的白色光源与现有技术公开的白色光源的不同处在于本发明采用了一种可调整工作波长的黄色萤光粉，这种黄色萤光粉可在接受波长为430～470um的蓝光照射后产生黄光，且此黄色萤光粉的配方为(Y1-p-xCepGdx)3Al5O12，当工作波长变化时，可通过调整Gd的摩尔比例x，使所述黄色萤光粉维持高效率的黄光转换率。其中，该配方中，0≤p≤0.05，0≤x≤1。
本发明的白色光源中应用的这种黄色萤光粉配方中不使用钐(Sm)，而铈(Ce)的含量p通常是固定的，所以只需依据蓝光光源的工作波长确定适当Gd的摩尔比例x，即可配合蓝光光源产生高纯度的白光。经试验摸索得出，所述工作波长λ(nm)与Gd的摩尔比例x之间具有下列关系式3x＝A+Bλ+Cλ2+Dλ3+Eλ4其中A＝126268.8005±42.35915B＝-1145.0025±0.37666
C＝3.89314±0.00126D＝-0.00588±1.5931×10-6E＝3.33290×10-6±1.03219×10-9故若有不同波长的蓝光，仅需带入此方程式，即可方便的确定Gd的含量。
至于本发明提出的白色光源的制作方法，则包括上述黄色萤光粉的制作方法及最终白色放光体发光体的制作方法。即本发明提出的一种白色光源的制作方法，包含下列步骤1、称取反应原料Y2O3，Ce(NO3)3，Gd2O3及Al(NO3)3，制成混合物，其摩尔比为Y∶Ce∶Gd∶Al＝2.949-3x∶0.051∶3x∶5，其中，0≤x≤1，混合物经过研磨混合后，置于1000℃空气中煅烧24小时。
2、将上述煅烧产物再次进行研磨混合，再置于1500℃的空气中烧结24小时，即可形成本发明的萤光粉末。
3、将上述所得萤光粉末与蓝光光源结合之步骤以上所得之萤光粉末经再次研磨，将所得粉末与硅胶以重量比0.24∶1的比例混合，再涂布于波长为430～470nm的蓝光光源上。
将此结构以普通发光二极管技术加以封装，通入适当的电流，即可形成发白光的发光二极管。
在依据本发明的方法所制作的光源中，即利用蓝光二极管及可受蓝光激发而发出黄光的钇铝石榴石材料而构成的白色光源，此钇铝石榴石材料含固定量的铈(Ce)且并不含钐(Sm)。如本发明可利用单相的(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12，而不须加入昂贵的稀土含钐(Sm)原料，即可具有被蓝光光源激发，而产生白光的功效。且可仅简单地调配其中的钆(Gd)含量，即可配合波长430～470um的蓝光光源，产生高纯度的白光。
本发明制作方法中所述的烧结步骤亦可以凝胶法或共沉法取代形成萤光粉末；而所述蓝光光源为InGaN型蓝光发光二极管。
在实施本发明方法制作白色光源时，为获得高纯度的白光，钆(Gd)的添加量根据使用蓝光光源的波长λ(nm)进行调整确定，即所述工作波长λ(nm)与Gd的摩尔比例x之间具有下列关系式3x＝A+Bλ+Cλ2+Dλ3+Eλ4其中A＝126268.8005±42.35915B＝-1145.0025±0.37666C＝3.89314±0.00126D＝-0.00588±1.5931×10-6E＝3.33290×10-6±1.03219×10-9附面说明
图1为本发明中(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉(0≤x≤1)的X光绕射图案，其中“o”标示者为杂质相。
图2为本发明中(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉(0≤x≤0.6)的激发光谱。
图3为本发明以波长为430nm的蓝光激发钆(Gd)含量(x)各为0，0.2及0.4的(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉的光谱图，其中曲线1、2与3中x分别为0、0.2与0.4。
图4为本发明以波长为470nm的蓝光激发钆(Gd)含量(x)各为0.2及0.8的(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉的光谱图，其中曲线4与5中x分别为0.2与0.8。
图5为本发明以波长为460nm的蓝光激发钆(Gd)含量(x)为0.2的(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉的光谱图。
图6为本发明以不同波长的蓝光激发不同合钆(Gd)量(即不同x值)的(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉，形成白光之最佳曲线图。
图7为本发明白色光源制造方法的一个较佳具体实例的流程图。
以下结合较佳实施例说明本发明目的的实现及其功效。
参见图7，为本发明提出的白色光源制造方法的一个较佳具体实例的流程图，为制作本发明的白色光源(包含蓝光二极管及可受蓝光激发而发出黄光的的钇铝石榴石萤光粉)，本发明方法包含下列步骤步骤100为一个煅烧步骤，本发明中的萤光粉是以固态反应形成，反应原料Y2O3，Ce(NO3)3，Gd2O3及Al(NO3)3的摩尔比为Y∶Ce∶Gd∶Al＝2.949-3x∶0.051∶3x∶5，其中，0≤x≤1，上述原料的混合物经过研磨混合后，置于1000℃空气中煅烧24小时。
步骤102为一个烧结步骤，将上述步骤所得物再经研磨混合，再置于1500℃的空气中烧结24小时，即可形成本发明的黄色萤光粉末。
该萤光粉末可以凝胶法或共沉法取代烧结方法形成。
步骤104为涂布步骤，即将上述所得萤光粉末与蓝光光源结合之步骤以上所得之萤光粉末经再次研磨，将所得粉末与硅胶以重量比0.24∶1的比例混合，再涂布于InGaN型之蓝光(波长为430～470nm)的晶片上，此结构以普通发光二极管技术加以封装，通入适当的电流，即可形成发白光的发光二极管。
有关于本发明方法的特点，配合附图讨论如下。
图1是本发明配方中(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉(0≤x≤1)的X光绕射图案，图中纵轴表示相对强度，从图中看出，当x值介于0～0.6之间可形成单相的化合物，而x为0.8时存在少量的杂质相，而在x＞0.8时，所形成的化合物含有大量的杂质相。而以Ia-3d的空间群，且晶格常数为约12的立方体结构，则可将上述的YAG化合物予以指标化(index)，故可证实本发明配方的确可以不藉由钐(Sm)元素的存在的内添加法，而于0＜x＜0.8范围内形成单相或接近单相含铈的钇铝石榴石化合物，亦可改善外添加法亦产生杂质相的缺点。故本发明之功效之一，可由此结果获得证实。
图2是本发明中(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉(0≤x≤0.6)的激发光谱。图中横轴表示波长λ(nm)，纵轴表示相对强度，从图中看出，藉由不同添加量的钆(Gd)，可使黄光萤光粉于蓝光(波长为457nm)激发下的吸收谱带向长波长移动，亦即产生红位移，此即表示若与不同波长蓝光做适当的配合，即可产生纯的白光。
图3为以波长为430nm的蓝光激发钆(Gd)含量(x)各为0，0.2及0.4的(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉的光谱图，图中横轴表示波长λ(nm)，纵轴表示相对强度，其中曲线1、2与3中x分别为0、0.2与0.4。由此图可以看出，在x＝0时，可以产生纯的白光；在x＝0.2或0.4时，产生白紫光。亦即x增大后会产生红位移，使白光不纯，因此在蓝光波长为430nm时要配合x为0的(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉，以产生纯的白光。
图4为以波长为470nm的蓝光激发钆(Gd)含量(x)各为0.2及0.8(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉的光谱图，图中横轴表示波长λ(nm)，纵轴表示相对强度，其中曲线4与5中x分别为0.2与0.8。由此图可以看出，在x＝0.2时，产生含绿光的白光，即为不纯的白光；在x＝0.8时，可以产生纯的白光。因此在蓝光波长为470nm时要配合x为0.8的(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12的萤光粉，以产生纯的白光。
图5为以波长为460nm的蓝光激发钆(Gd)含量(x)为0.2的(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉的光谱图。图中横轴表示波长λ(nm)，纵轴表示相对强度，由此图可以看出，在蓝光波长为460nm时要配合x为0.2的(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉，以产生纯的白光。
图6为以不同波长的蓝光λ(nm)激发不同含钆(Gd)量(即不同x值)的(Y0.983-xCe0.017Gdx)3Al5O12萤光粉，形成白光之最佳曲线图，此最佳曲线符合下列方程式3x＝A+Bλ+Cλ2+Dλ3+Eλ4其中A＝126268.8005±42.35915B＝-1145.0025±0.37666C＝3.89314±0.00126D＝-0.00588±1.5931×10-6F＝3.33290×10-6±1.03219×10-9
其中λ(nm)为蓝光的波长，而x则为Gd的含量。故若有不同波长的蓝光，仅需带入此方程式，即可求得其须搭配配方为(Y0.983-xCe0.017Gdx)3A15O12萤光粉的x值，亦即Gd的含量。因此此方法可快速找出最佳的配方，改善习用的方法须藉由多次的实验找出最佳配方之缺点。
以上所述仅为本发明的一具体实施例，但本发明的实施并不局限于此，任何熟悉此项技艺者在本发明的领域内，所实施的变化或修饰皆应被涵盖在本申请的权利要求范围。
权利要求
1.一种白色光源，其特征在于，该白色光源是采用一种可调整工作波长的黄色萤光粉，这种黄色萤光粉可在接受波长为430～470um的蓝光照射后产生黄光，此黄色萤光粉的配方为(Y1-p-xCepGdx)3Al5O12，当工作波长变化时，可通过调整Gd的摩尔比例x，使所述黄色萤光粉维持高效率的黄光转换率。
2.根据权利要求1所述的白色光源，其特征在于，在所述黄色萤光粉的配方中，0≤p≤0.05，0≤x≤1。
3.根据权利要求1所述的白色光源，其特征在于，所述黄色萤光粉的配方中Gd的摩尔比例x与工作波长λ(nm)具有下列关系式3x＝A+Bλ+Cλ2+Dλ3+Eλ4其中A＝126268.8005±42.35915B＝-1145.0025±0.37666C＝3.89314±0.00126D＝-0.00588±1.5931×10-6E＝3.33290×10-6±1.03219×10-9。
4.一种白色光源的制作方法，其特征在于，包含下列步骤(1)、反应原料为Y2O3，Ce(NO3)3，Gd2O3及Al(NO3)3，制成混合物，其摩尔比为Y∶Ce∶Gd∶Al＝2.949-3x∶0.051∶3x∶5，其中，0≤x≤1，混合物经过研磨混合后，置于1000℃空气中煅烧24小时；(2)、将上述煅烧产物再次进行研磨混合，再置于1500℃的空气中烧结24小时，得萤光粉末；(3)、将以上所得之萤光粉末经再次研磨，所得粉末与硅胶以重量比0.24∶1的比例混合，再涂布于波长为430～470nm的蓝光光源上。
5.根据权利要求4所述的白色光源的制作方法，其特征在于，其中所述烧结步骤可用凝胶法取代。
6.根据权利要求4所述的白色光源的制作方法，其特征在于，其中所述烧结步骤可用共沉法取代。
7.根据权利要求4所述的白色光源的制作方法，其特征在于，其中所述蓝光光源为InGaN型蓝光发光二极管。
8.根据权利要求4所述的白色光源的制作方法，其特征在于，所述工作波长λ(nm)与Gd的摩尔比例x之间具有下列关系式3x＝A+Bλ+Cλ2+Dλ3+Eλ4其中A＝126268.8005±42.35915B＝-1145.0025±0.37666C＝3.89314±0.00126D＝-0.00588±1.5931×10-6E＝3.33290×10-6±1.03219×10-9。
全文摘要
本发明涉及一种白色光源及其制作方法,特别涉及一种利用蓝光二极管及可受蓝光激发而发出黄光的钇铝石榴石材料所构成的白色光源制作方法,此钇铝石榴石材料含内添加有固定量的铈(Ce)且并不含钐(Sm),仅需简单地调配其中的钆(Gd)含量,即可配合波长430～470nm的蓝光光源产生高纯度的白光。
文档编号F21K2/00GK1267805SQ9910339
公开日2000年9月27日 申请日期1999年3月17日 优先权日1999年3月17日
发明者孙宗鼎, 刘如熹, 吴建荣, 叶寅夫, 王进龙, 石景仁 申请人:亿光电子工业股份有限公司