一种白光LED用黄色荧光粉的制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种黄色荧光粉的制备方法与应用，具体涉及一种能耗低、操作简单的白光led用黄色荧光粉的制备方法及其应用，属于荧光粉制备技术领域。

背景技术：

相比于传统的白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯，白光led作为新一代照明，由于具有服役寿命长、封装体积紧凑、亮度高、耗能低等优点，已成为当今照明发展的重要所在，与之相关的荧光粉开发与探索更是引起了人们的广泛关注。目前商业化白光led主要以蓝光led（440-470nm）结合不同荧光粉配比实现白光输出，其中以日亚化学基于ce:y3al5o12（yag）黄色石榴石荧光粉（us599892）所实现的白光led照明是当前商业化白光led的主流设计方案。此配置虽然可以实现高效的白光输出，但由于其发射光谱中缺少相应的红光部分，故其色温一般偏高（高于4000k），显色指数偏低（ra小于75），不适合实现高显色指数的暖白光led照明（色温<4000k，ra与r9大于80）。为了更有利于实现暖白光led照明，相关不同种类的荧光粉开发与不同的荧光粉搭配已引起了广大科研工作者的广泛关注。

近些年，基于第二主族（含ca、sr与ba）的ce³⁺或eu²⁺离子掺杂荧光粉在白光led照明得到了广泛的开发与应用。其制备方法有固相烧结、燃烧法与溶胶-凝胶法等，后期都会涉及到高温烧结（温度一般高于1000℃）为主。众所周知，第二主族元素在高温环境下易于出现挥发，进而非常容易引起荧光粉的组分偏离；此外，衍生出来的杂项可能会与主相之间发生能量传递，进而引起荧光粉特性的进一步劣化。在白光led照明设计中，一般需要多种荧光搭配，不同荧光粉存在结晶性能差异和颗粒分布差异，这会造成荧光粉难于混合均匀，这给不同荧光粉的搭配混合使用及封装带来了很大的难度。因此，开发一种快速、简化、性能优异的白光led用荧光粉的制备方法是白光led照明发展（尤其是暖白光照明领域）的迫切需求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种白光led用黄色荧光粉的制备方法，该方法工艺简单、生产周期短、烧结温度低、能耗低，具有工业化推广应用价值。

本发明还提供了按照上述方法制得的白光led用黄色荧光粉，该荧光粉组分分布均匀，具有能发红光的sr3sc4o9:ce³⁺相和能发出绿光的casc2o4:ce³⁺相，能够稳定的发出黄光，解决了不同荧光粉搭配造成的难于混匀、发光不均匀、存在色差等不足，且显色指数高、色温低，利于实现暖白光led照明。

本发明还提供了一种白光led发光器件的制备方法，将上述黄色荧光粉均匀旋涂在蓝光led芯片上即可得到能发出白光的发光器件，操作简便，便于工业化生产。

本发明具体技术方案如下：

一种白光led用黄色荧光粉的制备方法，该方法包括以下步骤：

（1）将sr3(cexsc1-x)4o9粉体与卤化钙混合均匀，研磨得混合粉体；

（2）将混合粉体在还原气氛下进行烧结，得同时含有sr3(cexsc1-x)4o9和(ceyca1-y)sc2o4的白光led用黄色荧光粉。

进一步的，所述卤化钙为氯化钙（cacl2）、溴化钙（cabr2）和碘化钙（cai2）等中的至少一种，优选为氯化钙。

进一步的，将ca与sr的摩尔比记为z，sr3(cexsc1-x)4o9与卤化钙按照ca与sr的摩尔比0<z≤2的比例混合，优选的，0.05<z≤1，更优选的，0.15≤z≤0.5。随着ca与sr的摩尔比(z)的增大，所得荧光粉会逐渐由红色向绿色偏移，当ca与sr的摩尔比过小时，荧光粉偏红色，当ca与sr的摩尔比过大时，荧光粉偏绿色。随着z的增加，与蓝光led组合后的发光器件的色温会逐渐增加。（例如z=0.1时，色温为3555k，z=0.15时，色温为3998k）。

进一步的，sr3(cexsc1-x)4o9粉体能够发出红光，其化学式sr3(cexsc1-x)4o9可以简写为sr3sc4o9:ce³⁺，其中x=0-0.05（x不为0），即铈的掺加量为0-5at.%（不包括0），优选x=0.0015。当x过大或过小时，荧光粉的荧光强度都会减弱。sr3(cexsc1-x)4o9荧光粉在现有技术中有相关报道，例如文献（j.mater.chem.c,2017,5,9472），本领域技术人员可以根据现有技术中公开的方法进行制备，在此不再赘述。

进一步的，通过控制卤化钙的用量，卤化钙与sr3(cexsc1-x)4o9在烧结过程中能够形成(ceyca1-y)sc2o4，该成分在文献（journaloftheelectrochemicalsociety,154(8)j234-j238,2007）中有相关报道，其能够发出绿色荧光，在上述制备步骤下，(ceyca1-y)sc2o4与sr3(cexsc1-x)4o9能够均匀混合，最终所得的混合物荧光粉能够发出均匀、稳定的黄色荧光。

进一步的，(ceyca1-y)sc2o4简写为casc2o4:ce³⁺，y=0-0.01（y不为0），即铈的掺加量为0-1at.%（不包括0）。y由x决定，一般的，y约等于2x。

进一步的，为了使sr3sc4o9:ce³⁺与卤化钙充分混合均匀，可以采用湿法混合或者干法混合的方法进行混合。湿法混合可以采用水或乙醇作为分散介质。湿法混合和干法混合的具体操作方法可以从现有技术中寻找，本领域技术人员容易实现。

进一步的，sr3sc4o9:ce³⁺与卤化钙充分混合均匀后，将混合物干燥、研磨，至混合物平均粒径为0.5-15μm，且粒径分布均匀。

进一步的，步骤（2）中，所述还原气氛为热碳覆盖、h2、co、h2/n2、h2/ar、co/n2和co/ar中的至少一种，各还原气氛仅为了防止产品氧化，为还原提供条件，不同的还原气氛效果类似。h2/n2指的是h2与n2的混合气，h2/ar指的是h2与ar的混合气，co/n2指的是co与n2的混合气，co/ar指的是co与ar的混合气。

进一步的，步骤（2）中，烧结温度优选为780-1000℃，优选为780-900℃。烧结时间一般为0-2h。烧结0h指的是从室温升到烧结温度然后再降至室温，烧结一定时间是指从室温升至烧结温度，然后在此烧结温度下保温一定时间。

进一步的，步骤（2）中，按照2-5℃/min的升温速度升至烧结温度。

进一步的，步骤（2）中，烧结后，将粉体降至室温，洗涤、干燥，研磨至平均粒径为0.5-15μm，即可得白光led用黄色荧光粉，该荧光粉中含有sr3(cexsc1-x)4o9红色荧光粉相和(ceyca1-y)sc2o4绿色荧光粉相。优选的，依次用水和无水乙醇进行洗涤，在50-70℃下进行烘干。

本发明还提供了一种含有本发明上述白光led用黄色荧光粉的发光器件的制备方法，其步骤为：将上述制得的白光led用黄色荧光粉与树脂混合均匀，均匀旋涂在led芯片上，干燥固化，即得发光器件。

进一步的，所述树脂为环氧树脂或硅树脂，优选折射率>1.4的硅树脂。

进一步的，所述白光led用黄色荧光粉占树脂与白光led用黄色荧光粉混合物总质量的5～80wt.%。

进一步地，所述led芯片优选为发射波长为410-460nm的led芯片，即蓝光led芯片，该发光器件能够发出稳定、均匀的暖白光。

本发明具有以下优势：

1、本发明将sr3sc4o9:ce³⁺与卤化钙通过高温烧结法反应形成casc2o4:ce³⁺，借助卤化钙的低熔点特性（低于900℃），在远低于传统单独制备casc2o4:ce³⁺的温度（单独制备casc2o4:ce³⁺的煅烧温度在1500℃以上）下实现sr3sc4o9:ce³⁺到casc2o4:ce³⁺的可控离子置换，通过卤化钙与sr3sc4o9:ce³⁺摩尔比控制，可以实现对荧光粉发射光谱中绿色（casc2o4:ce³⁺相）与红色（sr3sc4o9:ce³⁺相）成分含量的有效控制。

2、本发明先行制备sr3sc4o9:ce³⁺荧光粉，以其为原料与卤化钙反应实现casc2o4:ce³⁺的形成，该制备方式所得荧光粉中的casc2o4:ce³⁺相和sr3sc4o9:ce³⁺相混合均匀，粒径分布均匀，能够稳定的发出黄色光，无色差，与蓝光led结合使用能够实现暖白光，并且色温低，显色指数高，解决了荧光粉搭配使用难于混合均匀，发光性能差，存在色差等不足。

3、此外整个荧光粉制备过程工艺简化，能耗低，生产周期短，生产效率高，利于实现材料器件一体化和集成化设计，因此具有产业化和批量生产的潜力。黄色荧光粉的荧光发射波长覆盖475nm-800nm，具有高的发光效率，结合商业化的发射波长为410-460nm的蓝光led芯片与相应的白光led封装方法即可实现白光led发光器件的制备，通过调控荧光粉中红光sr3sc4o9:ce³⁺与绿光casc2o4:ce³⁺成分比例可以有效实现高显色指数（大于80）、低色温（色温小于4000k）的暖白光led照明。

附图说明

图1、对比例1中sr3sc4o9:ce³⁺荧光粉与相关理论x射线粉末衍射数据。

图2、实施例1-6所得荧光粉的x射线粉末衍射数据。

图3、对比例1中casc2o4:ce³⁺荧光粉与相关理论x射线粉末衍射数据。

图4、在激发波长为450nm时，对比例1sr3sc4o9:ce³⁺荧光粉与对比例1中casc2o4:ce³⁺荧光粉的发射光谱。

图5、在激发波长为450nm时，实施例1所得（sr3sc4o9:ce³⁺/casc2o4:ce³⁺）荧光粉的发射光谱。

图6、在激发波长为450nm时，实施例2所得（sr3sc4o9:ce³⁺/casc2o4:ce³⁺）荧光粉的发射光谱。

图7、在激发波长为450nm时，实施例3与4所得（sr3sc4o9:ce³⁺/casc2o4:ce³⁺）荧光粉的发射光谱。

图8、在激发波长为450nm时，实施例5所得（sr3sc4o9:ce³⁺/casc2o4:ce³⁺）荧光粉的发射光谱。

图9、在激发波长为450nm时，实施例6所得（sr3sc4o9:ce³⁺/casc2o4:ce³⁺）荧光粉的发射光谱。

图10、实施例1制得的荧光粉及蓝光led封装得到的白光led的光谱图。

图11、实施例1制得的荧光粉及蓝光led所封装得到的白光led的cie1931。

图12、实施例1制得的荧光粉及蓝光led所封装得到的白光led的显色指数图。

图13、实施例7制得的荧光粉及蓝光led封装得到的白光led的光谱图。

图14、实施例7制得的荧光粉及蓝光led所封装得到的白光led的cie1931。

图15、实施例7制得的荧光粉及蓝光led所封装得到的白光led的显色指数图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行进一步详细、完整的说明和描述。下述说明仅是示例性的，并不对其内容进行限制。

下述实施例中，所用的sr3sc4o9:ce³⁺粉体可以按照以下方法制备：

以srco3、sc2o3和ceo2作为初始原料，按照sr:ce:sc的摩尔比为3:4x:4-4x进行配料，将各原料利用酒精溶液湿混1h，在室温下利用通风橱干燥后，研磨得到平均粒径为0.5-15μm的混合粉体；

把混合粉体在40mpa下压制成块放入刚玉坩埚中，在co/ar（体积比为5:95）气氛中1600℃烧结4h，降至室温，进行研磨，得到sr3(cexsc1-x)4o9，即sr3sc4o9:ce³⁺，x=0-0.05。

实施例1

一种白光led用黄色荧光粉，其中含有sr3sc4o9:ce³⁺和casc2o4:ce³⁺相，制备方法如下：

1、把sr3(cexsc1-x)4o9（x=0.15at.%）与cacl2按照ca:sr摩尔比z=0.15的比例混合，以乙醇为分散介质，通过湿法混合将这两者充分研磨混合均匀，然后在室温下干燥，得到平均粒径为0.5-15μm的混合粉体；

2、把混合粉体放入铂金坩埚中，在co/ar（体积比为5:95）还原气氛中以2-5℃/min的速度升至900℃，再降至室温，依次用去离子水与无水乙醇洗涤3次，并在60℃空气中烘干，进行研磨，得到平均粒径为0.5-15μm的荧光粉粉体，即最终的黄色荧光粉。

如图2所示，所得荧光粉除sr3sc4o9与casc2o4两相外，无其它杂相；如图5所示，其发射光谱也同时表现为sr3sc4o9:ce³⁺与casc2o4:ce³⁺相发射光谱的叠加。

实施例2

一种白光led用黄色荧光粉，其中含有sr3sc4o9:ce³⁺和casc2o4:ce³⁺相，制备方法如下：

1、把sr3(cexsc1-x)4o9（x=0.15at.%）与cacl2按照ca:sr摩尔比z=0.25的比例混合，以乙醇为分散介质，通过湿法混合将这两者充分研磨混合均匀，然后在室温下干燥，得到平均粒径为0.5-15μm的混合粉体；

2、同实施例1。

如图2所示，所得黄色荧光粉除sr3sc4o9与casc2o4两相外，无其它杂相；如图6所示，其发射光谱也同时表现为sr3sc4o9:ce³⁺与casc2o4:ce³⁺相发射光谱的叠加。

实施例3

一种白光led用黄色荧光粉，其中含有sr3sc4o9:ce³⁺和casc2o4:ce³⁺相，制备方法如下：

一种白光led用（sr3sc4o9:ce³⁺/casc2o4:ce³⁺）荧光粉（z=0.5）的制备方法，具体如下：

1、把sr3(cexsc1-x)4o9（x=0.15at.%）与cacl2按照ca:sr摩尔比z=0.5的比例混合，以乙醇为分散介质，通过湿法混合将这两者充分研磨混合均匀，然后在室温下干燥，得到平均粒径为0.5-15μm的混合粉体；

2、把混合粉体放入铂金坩埚中，在co/ar（体积比为5:95）还原气氛中以2-5℃/min的速度升至785℃，并在此温度烧结0.5h，降至室温，依次用去离子水与无水乙醇洗涤3次，并在60℃空气中烘干，进行研磨，得到平均粒径为0.5-15μm的荧光粉粉体，即最终的黄色荧光粉。

如图2所示，所得黄色荧光粉除sr3sc4o9与casc2o4两相外，无其它杂相；如图7所示，所得荧光粉的发射光谱也同时表现为sr3sc4o9:ce³⁺与casc2o4:ce³⁺相发射光谱的叠加。

实施例4

一种白光led用黄色荧光粉，其中含有sr3sc4o9:ce³⁺和casc2o4:ce³⁺相，制备方法如下：

1、同实施例3；

2、把混合粉体放入刚玉坩埚中，在h2/ar（体积比为5:95）还原气氛中以2-5℃/min的速度升至900℃，并在此温度烧结0.5h，降至室温，依次用去离子水与无水乙醇洗涤3次，并在60℃空气中烘干，进行研磨，得到平均粒径为0.5-15μm的荧光粉粉体，即最终的黄色荧光粉。

如图2所示，所得荧光粉除sr3sc4o9与casc2o4两相外，无其它杂相；如图7所示，其发射光谱也同时表现为sr3sc4o9:ce³⁺与casc2o4:ce³⁺相发射光谱的叠加。相比于实施例3可得：反应温度为900℃比785℃更有利于获得更高casc2o4:ce³⁺相含量的荧光粉。

实施例5

一种白光led用黄色荧光粉，其中含有sr3sc4o9:ce³⁺和casc2o4:ce³⁺相，制备方法如下：

1、把sr3(cexsc1-x)4o9（x=0.15at.%）与cacl2按照ca:sr摩尔比z=0.75的比例混合，以乙醇为分散介质，通过湿法混合将这两者充分研磨混合均匀，然后在室温下干燥，得到平均粒径为0.5-15μm的混合粉体；

2、同实施例1。

如图2所示，所得荧光粉除sr3sc4o9与casc2o4两相外，无其它杂相；如图8所示，其发射光谱也同时表现为sr3sc4o9:ce³⁺与casc2o4:ce³⁺相发射光谱的叠加。

实施例6

一种白光led用黄色荧光粉，其中含有sr3sc4o9:ce³⁺和casc2o4:ce³⁺相，制备方法如下：

1、把sr3(cexsc1-x)4o9（x=0.15at.%）与cacl2按照ca:sr摩尔比z=1的比例混合，以乙醇为分散介质，通过湿法混合将这两者充分研磨混合均匀，然后在室温下干燥，得到平均粒径为0.5-15μm的混合粉体；

2、同实施例1。

如图2所示，所得荧光粉除sr3sc4o9与casc2o4两相外，无其它杂相；如图9所示，其发射光谱也同时表现为sr3sc4o9:ce³⁺与casc2o4:ce³⁺相发射光谱的叠加。与图4相比可得，此时非常接近纯casc2o4:ce³⁺相。

实施例7

一种白光led用黄色荧光粉，其中含有sr3sc4o9:ce³⁺和casc2o4:ce³⁺相，制备方法如下：

1、将sr3(cexsc1-x)4o9（x=0.15at.%）与cacl2按照ca:sr摩尔比z=0.20的比例混合，以乙醇为分散介质，通过湿法混合将这两者充分研磨混合均匀，然后在室温下干燥，得到平均粒径为0.5-15μm的混合粉体；

2、同实施例1。所得荧光粉除sr3sc4o9与casc2o4两相外，无其它杂相。

实施例8

本发明荧光粉可以制成发光器件，其方法为：将上述实施例制得的黄色荧光粉与树脂按照混合均匀，均匀旋涂在led芯片上，干燥固化，即得发光器件。

其中，黄色荧光粉占黄色荧光粉与树脂总质量的5-80%，例如5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%。

其中，树脂为环氧树脂或硅树脂，优选折射率>1.4的硅树脂。

其中，led芯片优选为发射波长为410-460nm的led芯片，即蓝光led芯片。

为了验证本发明荧光粉和发光器件的性能，将各荧光粉分别与折射率>1.4的硅树脂按照1:1的质量比混合均匀，然后均匀旋涂在蓝光led芯片上，干燥固化，得发光器件。将这些发光器件分别接通电源，各发光器件所发出的光均为暖白光，发光均匀、稳定，无色差和其他杂光。

图10为使用实施例1制得的荧光粉及蓝光led封装得到的白光led的光谱图及其显色指数，从图中可以看出封装的led发出的光色温低于4000k，属于暖白光，显色指数为89.2，性能优良。

图11为使用实施例1制得的荧光粉及蓝光led所封装得到的白光led发光色坐标，从图中可以看出其色坐标落在暖白光区域。

图12为使用实施例1制得的荧光粉及蓝光led所封装得到的白光led显色指数图，从图中可以看出显色指为ra=89.2(r9=80)，性能好。

图13为使用实施例7制得的荧光粉及蓝光led封装得到的白光led的光谱图及其显色指数，从图中可以看出封装的led发出的光显色指数为90.1，性能优良。

图14为使用实施例7制得的荧光粉及蓝光led所封装得到的白光led发光色坐标，从图中可以看出其色坐标落在白光区域，色温为4268k。

图15为使用实施例7制得的荧光粉及及蓝光led所封装得到的白光led各显色指数图，从图中可以看出显色指为ra=90.1(r9=80)，性能良好。

对比例1

1、制备sr3sc4o9:ce³⁺（x=0.15at.%）荧光粉，具体如下：

以srco3、sc2o3和ceo2作为初始原料，按照sr:ce:sc的摩尔比为3:0.006:3.994进行配料，将各原料利用酒精溶液湿混1h，在室温下利用通风橱干燥后，研磨得到平均粒径为0.5-15μm的混合粉体；

把混合粉体在40mpa下压制成块放入刚玉坩埚中，在co/ar（体积比为5:95）气氛中1600℃烧结4h，降至室温，进行研磨，得到sr3sc4o9:ce³⁺（x=0.15at.%）。

如图1所示，所得荧光粉为sr3sc4o9纯相；如图4所示，其发射光谱也同时显现出了主峰在592nm左右。

2、制备casc2o4:ce³⁺（y=0.25at.%）荧光粉，具体如下：

以caco3、sc2o3和ceo2作为初始原料，按照ca:ce:sc的摩尔比为0.9975:0.0025:2进行配料，将各原料利用酒精溶液湿混1h，在室温下利用通风橱干燥后，研磨得到平均粒径为0.5-15μm的混合粉体；

把混合粉体在40mpa下压制成块，放入刚玉坩埚中，在1350℃的空气中烧结5h，降至室温，进行研磨，得到平均粒径为0.5-15μm的初烧粉体；

将初烧粉体再在40mpa下压制成块，放入刚玉坩埚中，在空气气氛中1550℃烧结4h，降至室温，进行研磨，得到casc2o4:ce³⁺粉体。

如图3所示，所得荧光粉为casc2o4:ce³⁺纯相；如图4所示，其发射光谱也同时显现出了主峰在512nm左右。

3、将上述两种荧光粉在乙醇中混合24小时后在105℃下烘干5h以确保水分以及乙醇挥发干净，然后在玛瑙研钵中研磨2h，得混合粉体。

4、将该混合粉体与折射率>1.4的硅树脂按照1:1的质量比混合均匀，然后均匀旋涂在蓝光led芯片上，干燥固化，得发光器件。将发光器件接通电源，得到了较为均匀的暖白光发光器件。

以上实施例是对本发明具体实施方式的列举，当然本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。