强散射陶瓷转换器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种强散射电光陶瓷转换器材料、根据本发明的转换器在以分光形式 运行的光电器件中的用途，以及用于提供本发明的转换器的制造方法。
【背景技术】
[0002] 转换器材料用于诸如发光二极管的光电子器件。在这种情况下，转换器材料将照 射的具有第一波长的激发光（在下文中也称为蓝色激发光）至少部分地转换为具有第二波 长的发射光。因为其有利的物理性质，陶瓷转换器材料被越来越多地用于此。
[0003] 大多数情况下，陶瓷转换器材料用于具有传输结构的转换器。在传输转换器中，蓝 色激发光入射在转换器材料的一侧上，并且从转换器另一侧出射的光被利用。
[0004] 为了用传输转换器产生白色印记，所发射的光必须与蓝色激发光的一部分进行混 合。所混合的蓝色激发光的比例取决于发射的转换的光的波长和待获得的颜色位置。
[0005] 并且，所混合的蓝色激发光的部分应当具有与转换的光类似的空间辐射行为。这 是这样实现的：蓝色光通过陶瓷转换器材料散射。
[0006] 在现有技术中，公开了通过在陶瓷转换器中并入第二相或通过并入孔作为散射中 心来实现蓝色激发光的散射。
[0007] 然而，散射不必然导致在蓝色激发光的显著分光，因为蓝色激发光的分光比例并 不有助于有益的光通量，因此降低了转换器的效率。因此，转换器材料中的孔隙率和孔尺寸 的精确控制是不可避免的。
[0008] 例如，专利申请公开US2009/0066221A1描述了一种陶瓷转换元件，在其中，蓝色 激发光在孔处被散射，并且其中转换器的密度为至少97%。在这种情况下，孔隙率是由生坯 不完全烧结所致。孔的直径为250纳米至2900纳米，并且主要由所用的反应物的颗粒尺寸 决定。
[0009] W0 2011/094404描述了具有基本上球形的孔的多孔陶瓷。孔的直径范围为500纳 米至10微米。此处，孔隙率的控制是通过将诸如PMMA颗粒或PE颗粒的球形颗粒作为造孔 添加剂来实现的。在随后的烧结期间，添加剂被烧掉。
[0010] 通常在转换器中，转换后的光最初被均匀地向所有方向发射。在传输结构中只有 在传输方向上的光被利用。被分光的光丢失或由反射器或涂层"回收"。传输转换器的构造 的替代品是操作以分光形式运行的转换器。
[0011] 在以分光形式运行的转换器中，蓝色激发光的输入和所发射的有用的光的离开发 生在转换器的相同一侧。因此，在这种情况下，转换器的高度分光是有利的。
[0012] 因此，用于分光应用的陶瓷转换材料的要求显著不同于用于传输应用的转换器材 料的要求。
[0013] 因此，现有技术中已知的转换器材料不适合用于分光转换器。
[0014] 发明目的
[0015] 因此，本发明的目的是提供一种具有用于分光转换器的最佳光学和机械性能的陶 瓷转换器材料。此外，本发明的目的是提供了一种用于制备相应的转换材料的方法，其允许 获得具有定制的光学性能的陶瓷转换器材料。
[0016] 该目的通过独立权利要求的主题以出人意料地简单方式得以实现。从属权利要求 的主题是本发明的有利的实施方案和改进方案。
[0017] 本发明的电光陶瓷、下文中也称为转换器材料，适用于将具有第一波长的激发光 至少部分地转换成具有第二波长的发射光。特别是，本发明的电光陶瓷适用于将激发光转 换成分光的发射光。
[0018]因此，本发明的电光陶瓷是一种强散射转换器材料，但是其同时具有很高的量子 效率。
[0019] 这是通过转换器材料的独特组成和形态实现的。
[0020] 转换材料是一种仅具有单一电光陶瓷相的多孔电光陶瓷。陶瓷相设置为单一相或 至少基本上单一相。这里本发明意义上的术语"单一相"仅指转换器材料的陶瓷部分，其在 本发明的含义中是指转换器材料中存在的孔不被视为第二陶瓷相。此外，本发明意义上的 术语"单一相陶瓷相"并不排除其他陶瓷相以微小程度存在，如例如在偏差误差范围内的由 处理相关的称重偏差所引起的。例如，也可以考虑在称量中的研磨球的磨损。
[0021] 例如由原材料的不完全转换所引起的任何痕量的第二陶瓷相是处理相关的，而不 是有意的。
[0022] 转换器材料的低密度是其孔隙率的结果。电光陶瓷中的孔引起强的光散射，其在 下文中仅被称为散射。对于用于分光转换器的转换器材料，强散射是有利的。指定的密度 是几何上确定的密度。
[0023] 这适用于其中要制备白光的应用、以及其中获得尽可能纯的光谱的颜色通道的应 用。
[0024] 对于产生白光，散射必须是如此之强，使得蓝色激发光的一部分不被转换器吸收， 而是被分光并与所发射的转换光结合。
[0025] 对于在其中实现尽可能纯的光谱的颜色通道的分光应用，例如对于投影仪，仅产 生转换器材料的发射光谱是至关重要的。在这种情况下，蓝色激发光可以最完全吸收提高 了转换器的效率。因此，用于蓝色光的分光的散射相对于蓝色光的吸收必须不能太强。然 而，如果可能的话，该关系应当通过较强的蓝色吸收而不是通过较弱的散射来进行调整，因 为强散射在该应用中也是有利的：散射对转换器表面上的所发射的转换光的空间分布具有 有利的影响。以这种方式，可以实现转换器表面上转换的光的量不大于或仅稍大于蓝色激 发光的相应量。该光斑的定位可以通过转换器材料的高散射实现并导致在整个转换器上的 均匀的颜色印记。
[0026] 因此，转换器材料包括组合物^85012的陶瓷相，其中A=Y、Gd、Lu和其组合以及 B=Al、Ga和其组合。
[0027] 通过电光陶瓷的组分可以选择性地调整发射光的波长范围。优选地，电光陶 瓷相是一种活性￥#15012相或1^1#150 12相。根据本发明的一个实施例，电光陶瓷相是 (Gd，Y)3A15012相或（Y，Lu) #15012相。此外，优选地，电光陶瓷相是Lu3(A1，Ga)5012相。
[0028] 此外，陶瓷相包含铈作为活性元素。优选地，电光陶瓷包含铈作为活性元素。铈 的含量被指定为Ce02含量与反应物的总初始重量的重量百分比，优选范围为0. 001-3重 量％，更优选为0.05-0. 25重量％。这里，活性元素被化学计算为晶体系统的A位点。根据 本发明的特别有利的实施例，铈的含量为〇. 003-0. 3重量％。具有这样的铈含量的电光陶 瓷表现出特别有利的散射长度和吸收长度的比值。
[0029] 根据本发明的改进方案，建议使用至少一种另外的活性元素。通过活性元素的类 型和浓度，可以调整散射长度与吸收长度的比值。该比例是多少蓝色激发光被分光的决定 因素。因此，可以通过活性元素的类型和浓度来调整转换器的颜色位置。优选地，电光陶瓷 包括选自由元素铽、镨、钐及其组合所组成的组中的元素，作为另一活性元素。
[0030] 根据本发明的一个实施例，电光陶瓷包括钆作为第二元素A。特别是，电光陶瓷的 Gd203含量为计算为A位点的0. 5-8摩尔％、优选1-4摩尔％，更优选1. 5-3. 5摩尔％。钆 优选与钇组合用作元素A。最优选地，在钇铝石榴石中使用钆。
[0031] 根据本发明的另一实施例，电光陶瓷包括镓作为第二元素B。特别是，电光陶瓷的 Ga203含量为计算为B位点的0. 5-15摩尔％、优选1-10摩尔％，更优选1. 5-7摩尔％。优 选地，镓与镥组合使用作元素B。
[0032] 在一个实施例中，优选使用25-30摩尔％的1^1含量。这对于其中要产生绿色光的 应用是特别有利。根据本发明的另一实施例，镥含量为0.5-7摩尔％。该比例对应当表现 出高温度稳定性的转换器是特别有利的。
[0033] 根据本发明的转换器材料因此有利地允许通过其密度或孔隙度、电光陶瓷相的组 成和其中的活化剂的浓度和选择来调整颜色位置，取决于各自的要求。
[0034] 根据本发明的一个实施例，散射通过上述参数调整，使得蓝色激发光的一部分不 被转换器吸收，而是被分光并与发射光结合。在分光要产生尽可能接近白色的颜色位置的 应用中，这是特别重要的。
[0035] 现有技术中，通过并入第二相实现散射的电光陶瓷是已知的。相比之下，根据本发 明的转换器材料仅包括一个陶瓷相。特别是，本发明的陶瓷至少基本上不含初级颗粒。根 据一个实施例，A3B5012中游离A203和/或B203颗粒、即不与烧结的陶瓷相结合的颗粒的含量 为小于5体积％，更优选小于2. 5体积％，最优选小于1. 5体积％ (由SEM图测定）。
[0036] 这是特别有利的，因为例如通过激光，本发明的陶瓷可以因此被激发具有高的功 率密度。相比之下，在包括聚集的初级颗粒形式的A1203作为第二相的陶瓷中，例如，存在以 下风险：这些颗粒升温至其可以导致陶瓷开裂。
[0037] 根据有利的实施例，平均孔尺寸为0. 1-100微米，优选0. 5-50微米，更优选3-5微 米。基于SEM图测定颗