专利名称：基于量子点与传统磷光体的组合的磷光体的制作方法
技术领域：
本发明涉及磷光体组合物及磷光体光源。
背景技术：
发光二极管(LED)是取代例如白炽灯的传统光源和荧光光源的具有吸引力的候选光源。与传统光源相比，LED具有更高的光转化效率以及更长的寿命。遗憾的是，LED只能在较窄的光谱带内产生光。因此，为了制造具有任意颜色的光源，通常采用具有多个LED的复合光源。例如，可通过混合从红色、绿色和蓝色LED发出的光来构造能发出与特定颜色相匹配而被感知的光的LED基光源。各种颜色的强度的比率决定了被观察人员感知的光线颜色。
为了取代传统照明系统，需要可产生对观察人员呈现“白色”的光线的LED基光源。原则上，呈白色的光源可如上所述由三种窄带光源来构造。实际上，可利用许多不同的光谱组合来提供被观察人员直接观察时看起来是白色的光源。考虑由三种窄带LED构造的白光源。对于观察人员，光线呈现白色，并且当使用者直接注视该光线时，该光线看起来与例如白炽灯的传统光源一样。然而，当用这两种光源来照明由彩色物体组成的景象时，结果显著不同。为了以与用白炽灯或日光照明景象时所观察到的颜色相匹配的方式来重现用上述白光源照明该景象时观察到的颜色，所述“白”光源必须能在约400nm与600nm之间的可见光波长范围内具有较恒定的光谱。而窄带LED源不具有此性质。
一种用LED来提供宽光谱的光源的方法是使用可将LED光转化成在宽光谱内具有更长波长的光的磷光体。例如，可使用来自产生窄UV光谱的LED的UV来照射在红光波长的宽范围内发光的磷光体。然后将由磷光体产生的红光用作白光源的组成部分。通过混合几种磷光体，原则上可以在磷光体的光转化效率足够高的条件下制造出适于替代白炽灯的宽光谱白光源。
遗憾的是，并不存在可供照明设备的设计者任意选择的磷光体组合。光转化效率足够高的传统磷光体的数量有限。这些磷光体的发射光谱不易改变。此外，由于以波长的函数发射的光线不稳定，使得光谱并不理想。因此，即使混合几种磷光体也无法获得最佳的白光源。
“量子点”(QD)磷光体是发射光谱取决于微粒的尺寸的磷光体，因而可采用适当尺寸的微粒将光转化成预定波长。量子点是纳米尺寸的半导体晶体。随着微粒尺寸减小，微粒达到某一尺寸，在该尺寸下，材料的带隙(band gap)依赖于微粒尺寸。结果，随着微粒尺寸减小，发射光谱转换至较小的波长。例如，CdSe量子点发射在光谱的可见光区的各种波长的光。发射波长仅取决于微粒尺寸，因此可通过控制微粒尺寸来构造具有所需发射波长的磷光体。
遗憾的是，任何给定的量子点磷光体的发射光谱均十分狭窄。而且，这些磷光体的转化效率明显低于传统磷光体的转化效率。因而，为了提供具有所需光谱形状的磷光体组合物，必须使用大量的量子点磷光体，这对于取代低成本的白炽光和荧光来说是不切实际的。此外，由于光转化效率低导致必须用更高功率的UV LED来驱动这些磷光体，因而增大了成本。
发明内容
本发明包括磷光体组合物以及利用该磷光体组合物的光源。磷光体组合物包含第一和第二磷光体。第一磷光体包含第一尺寸的第一磷光体微粒，第一磷光体微粒将激发波长的光转化成具有第一光谱的光，该第一光谱的特征为光强度作为波长的函数而变化，第一光谱基本上与第一磷光体微粒的尺寸无关。第二磷光体包含第二尺寸的QD磷光体微粒，QD磷光体微粒将激发波长的光转化成具有QD磷光体光谱的光，该QD磷光体光谱的特征为光强度作为波长的函数而变化。在一种实施方式中，第一磷光体微粒包含第一化学组合物的微粒，第二磷光体微粒包含第二化学组合物的微粒。依赖于具体应用，第一和第二化学组合物可以相同或不同。在一种实施方式中，第一磷光体微粒和QD磷光体微粒以一浓度比存在，选择第一磷光体微粒和QD磷光体微粒及其浓度比以使包括QD磷光体光谱和第一光谱的组合光谱的强度作为波长的函数，该组合光谱的强度与QD磷光体光谱或第一光谱相比更为均匀一致。在一种实施方式中，组合光谱被感知为白光。在一种实施方式中，第一磷光体微粒包括选自由石榴石、硫化物、硫化金属(thiometallate)、硅酸盐、氧化物、氧氮化物、氮化物和硒化物基磷光体组成的组的微粒。在一种实施方式中，用稀土元素对第一磷光体微粒进行掺杂。在一种实施方式中，QD磷光体包括CdS、CdSe、CdTe、CdPo、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnPo、MgS、MgSe、MgTe、PbSe、PbS、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、Cd(S1-xSex)、BaTiO3、PbZrO3、PbZrzTi1-zO3、BaxSr1-xTiO3、SrTiO3、LaMnO3、CaMnO3和La1-xCaxMnO3。
本发明的光源包括激发光源和磷光体层，其中激发光源发射激发波长的激发光。磷光体层包括第一和第二磷光体。第一磷光体包含第一尺寸的第一磷光体微粒，第一磷光体微粒将激发波长的光转化成具有第一光谱的光，该第一光谱的特征为光强度作为波长的函数而变化，第一光谱基本上与第一磷光体微粒的尺寸无关。第二磷光体包含第二尺寸的QD磷光体微粒，QD磷光体微粒将激发波长的光转化成具有QD磷光体光谱的光，该QD磷光体光谱的特征为光强度作为波长的函数而变化。在一种实施方式中，第一磷光体微粒包含第一化学组合物的微粒，第二磷光体微粒包含第二化学组合物的微粒。依赖于具体应用，第一和第二化学组合物可以相同或不同。在一种实施方式中，第一磷光体微粒和QD磷光体微粒以浓度比存在，选择第一磷光体微粒和QD磷光体微粒及其浓度比以使包括QD磷光体光谱和第一光谱的组合光谱的强度作为波长的函数，该组合光谱的强度与QD磷光体光谱或第一光谱相比更为均匀一致。在一种实施方式中，组合光谱被感知为白光。在一种实施方式中，第一磷光体微粒包括选自由石榴石、硫化物、硫化金属、硅酸盐、氧化物、氧氮化物、氮化物和硒化物基磷光体组成的组的微粒。在一种实施方式中，用稀土元素对第一磷光体微粒进行掺杂。在一种实施方式中，QD磷光体包括CdS、CdSe、CdTe、CdPo、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnPo、MgS、MgSe、MgTe、PbSe、PbS、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、Cd(S1-xSex)、BaTiO3、PbZrO3、PbZrzTi1-zO3、BaxSr1-xTiO3、SrTiO3、LaMnO3、CaMnO3和La1-xCaxMnO3。在一种实施方式中，激发光源包括LED。在一种实施方式中，LED发射的光具有200nm至480nm的波长。
图1和图2是受蓝色LED的光激发而由本发明的磷光体的单一磷光体组分产生的光谱图。
图3是根据本发明的一种实施方式使用磷光体层的光源100的剖面图。
图4是根据本发明的一种实施方式的磷光体微粒的剖面图。
具体实施例方式
为了便于讨论，传统的磷光体微粒被定义为磷光材料或发光材料的微粒，特征在于该微粒被适当波长的电磁辐射激发时发出的光的光谱基本上与微粒尺寸无关，即，仅取决于微粒的化学组成。为了便于讨论，如果微粒尺寸从2微米变为1微米时，可见光区域中的光谱主线的波长漂移小于30nm，则可以认为光谱基本上与微粒尺寸无关。一般而言，为了发出电磁辐射光谱的可见光部分的光，这样的微粒的直径大于约1微米。另一方面，QD磷光体微粒被定义为磷光材料或发光材料的微粒，特征在于该微粒被适当波长的电磁辐射激发时发出的光的光谱与微粒尺寸以及磷光材料或发光材料的化学组成有关。一般而言，微粒尺寸取决于具体的磷光体。例如，CdSe/ZnS QD磷光体的直径在2至10nm的范围内。
本发明使用复合磷光体以提供利用了传统磷光体和QD磷光体的最佳性质的磷光体组合物。参照图1和2可更容易地理解QD磷光体扩展(augment)传统磷光体光谱的方式，图中示出了受蓝色LED的光激发而由本发明的磷光体的单一磷光体组分产生的光谱。在此实施例中，由蓝光20激发两个传统的发红光和橙光的磷光体21和22。传统磷光体发出的光谱被多个QD磷光体23-25扩展以得到图2所示的光谱26，光谱26比单个传统磷光体光谱宽得多。通常，传统磷光体可以是石榴石、硫化物、硫化金属、氧化物、氧氮化物、氮化物和硅酸盐基磷光体。选择特定的磷光体，从而在提供合适的宽光谱的同时提供转化效率最高的光系统。通常，在传统磷光体比QD磷光体具有更高的转化效率的那些区域，使用传统磷光体。在传统磷光体不发光或QD磷光体的光转化效率更高的那些区域，使用具有期望输出光谱的QD磷光体。
QD磷光体是本领域已知的，因而在此不详细讨论。为了便于讨论，应当注意到，可由下列物质的微粒来制造QD磷光体CdS、CdSe、CdTe、CdPo、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnPo、MgS、MgSe、MgTe、PbSe、PbS、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、Cd(S1-xSex)。而且，QD磷光体可由金属氧化物制成，例如BaTiO3、PbZrO3、PbZrzTi1-zO3、BaxSr1-xTiO3、SrTiO3、LaMnO3、CaMnO3和La1-xCaxMnO3。此外，应当注意到，一些QD磷光体可从在216River Street Suite 200，Troy，NY 12180有营业场所的EvidentTechnologies通过商业途径购得。
在本发明的光源的一种实施方式中，磷光体微粒分散在例如透明环氧树脂的基体中。参照图3，该图是根据本发明的一种实施方式使用磷光体层的光源100的剖面图。光源100使用本发明的磷光体组合物层来转化激发LED 105发出的光。波长转化层107沿着LED发出的光路放置。LED105发出的辐射的一部分被波长转化层107吸收，由波长转化层107再次发射辐射，该辐射具有非常接近白炽光源光谱的组合光谱。
在此实施方式中，首先用粘合层102将LED 105固定在空腔形状的衬底101上。使LED 105的一个端子与端子112之间形成电连接103。由LED底部通过端子113形成第二电源连接。空腔包括光学透明密封材料106的第一层和悬浮在透明环氧树脂基体中的可提供波长转化的磷光体微粒的第二层107。
在本发明的一种实施方式中，用具有两种功能的材料涂覆单个磷光体颗粒。第一，许多传统磷光体材料对水分敏感。为了防止微粒接触水分，使用防水涂层材料。第二，无论是传统磷光体微粒还是QD磷光体微粒均具有结块倾向。结块导致了较大的微粒，这会散射光并且影响环氧树脂基体内磷光体微粒的均匀性。通过克服QD微粒间的van der Waals结合力，对微粒所悬浮的基体具有亲合力的涂层材料减少了上述结块。
一些对QD磷光体进行涂覆的过程在本领域中是已知的。量子点上的涂层可以是(a)有机盖层(cap)、(b)壳或(c)由玻璃材料制成的盖层。可使用Ag2S和Cd(OH)2在量子点上形成有机盖层，这可在高pH下用Cd2+钝化。然后通过在量子点表面附着染料而对量子点进行表面修饰。例如，CdSe表面活性剂是不稳定的，可用顺序添加Se+和Cd2+来代替，这可使量子点的晶种(seed)变大。对于富含Cd2+的表面，可用Ph-Se-处理该表面，并且有机涂层被共价结合至该表面。这种分子微粒的隔离被称为“覆盖(capped)”。已知类型的覆盖分子包括Michelle液体、Tio末端(termination)、磷酸盐末端、氮末端(吡啶、吡嗪)和Dendron盖层(多链配体)。
在本发明的一种实施方式中，使用复合磷光体微粒，其中QD磷光体微粒涂覆在较大的传统磷光体微粒的外侧。在此实施方式中，磷光体结合在一起形成增强的磷光体微粒，它包括一个中心传统磷光体微粒和其上涂覆的各种QD磷光体微粒，传统磷光体微粒与QD磷光体微粒的浓度比合适，从而提供期望的组合光谱。在一种实施方式中，传统磷光体微粒的直径小于10微米，因此取决于传统磷光体微粒的尺寸，增强微粒小于5至30微米。增强磷光体微粒的小尺寸实质性地减少了由增强磷光体微粒引起的光散射。这种散射移除了某些激发光，因而降低了磷光体转化光源的效率。
参照图4，该图是根据本发明的一种实施方式的磷光体微粒的剖面图。磷光体微粒10包括中心微粒11，微粒11优选由用短波长的光照射时发射宽光谱的传统磷光体形成。用量子点(QD)磷光体微粒12涂覆微粒11。选择QD微粒尺寸以使从QD微粒发射的光扩展了传统磷光体微粒11的光谱，从而提供与无论是QD微粒还是传统磷光体微粒相比更为理想的光谱。可选地，用防水材料层13涂覆传统磷光体微粒，防止其与水分接触。
还可在QD磷光体微粒上涂覆可减小QD微粒彼此之间亲合力的层15。这样的层抑制了复合微粒彼此粘结以及防止QD微粒形成结块。也可选择适当的涂层13和15，以使微粒11与微粒12粘结在一起。
通常，减小由于散射而损失的激发光和转化光的量，可提高光转化过程的效率。如果微粒直径小于被散射的光的波长，则散射量显著降低。在本发明的一种实施方式中，通过波长约为200至480nm的蓝光来激发磷光体。在此实施方式中，传统磷光体微粒的直径小于10微米，而QD磷光体微粒则比这个直径更小。这减少了激发光的散射损失，因此提高了光转化过程的效率。
本领域的技术人员通过说明书及附图很容易看出本发明的各种改进。因此，本发明的范围仅由所附权利要求所定义。
权利要求
1.一种磷光体组合物，其包含第一磷光体，其包含第一尺寸的第一磷光体微粒，所述第一磷光体微粒将激发波长的光转化成具有第一光谱的光，所述第一光谱的特征在于光强度作为波长的函数而变化，所述第一光谱与所述第一磷光体微粒的所述尺寸无关；和第二磷光体，其包含第二尺寸的量子点磷光体微粒，所述量子点磷光体微粒将所述激发波长的光转化成具有量子点磷光体光谱的光，所述量子点磷光体光谱的特征在于光强度作为波长的函数而变化。
2.如权利要求1的磷光体组合物，其中所述第一磷光体微粒包含第一化学组合物的微粒，所述第二磷光体微粒包含第二化学组合物的磷光体。
3.如权利要求2的磷光体组合物，其中所述第一化学组合物不同于所述第二化学组合物。
4.如权利要求2的磷光体组合物，其中所述第一化学组合物与所述第二化学组合物相同。
5.如权利要求1的磷光体组合物，其中所述第一磷光体微粒和所述量子点磷光体微粒以一浓度比存在，其中选择所述浓度比、所述第一磷光体微粒和所述量子点磷光体微粒使得包括所述量子点磷光体光谱和所述第一光谱的组合光谱的强度作为波长的函数，该组合光谱的强度与所述量子点磷光体光谱或所述第一光谱相比更为均匀一致。
6.如权利要求1的磷光体组合物，其中所述组合光谱被感知为白光。
7.如权利要求1的磷光体组合物，其中所述第一磷光体微粒包括选自石榴石、硫化物、硫化金属、硅酸盐、氧化物、氧氮化物、氮化物和硒化物基磷光体的微粒。
8.如权利要求7的磷光体组合物，其中所述第一磷光体微粒掺杂稀土元素。
9.如权利要求1的磷光体组合物，其中所述量子点磷光体微粒包括CdS、CdSe、CdTe、CdPo、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnPo、MgS、MgSe、MgTe、PbSe、PbS、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、Cd(S1-xSex)、BaTiO3、PbZrO3、PbZrzTi1-zO3、BaxSr1-xTiO3、SrTiO3、LaMnO3、CaMnO3和La1-xCaxMnO3。
10.一种光源，其包括发射激发波长的激发光的激发光源；磷光体层，其包含第一磷光体，其包含第一尺寸的第一磷光体微粒，所述第一磷光体微粒将激发波长的光转化成具有第一光谱的光，所述第一光谱的特征在于光强度作为波长的函数而变化，所述第一光谱与所述第一磷光体微粒的所述尺寸无关；和第二磷光体，其包含第二尺寸的量子点磷光体微粒，所述量子点磷光体微粒将所述激发波长的光转化成具有量子点磷光体光谱的光，所述量子点磷光体光谱的特征在于光强度作为波长的函数而变化。
11.如权利要求10的光源，其中所述第一磷光体微粒包含第一化学组合物的微粒，所述第二磷光体微粒包含第二化学组合物的磷光体。
12.如权利要求11的光源，其中所述第一化学组合物不同于所述第二化学组合物。
13.如权利要求11的光源，其中所述第一化学组合物与所述第二化学组合物相同。
14.如权利要求10的光源，其中所述第一磷光体微粒和所述量子点磷光体微粒以一浓度比存在，其中选择所述浓度比、所述第一磷光体微粒和所述量子点磷光体微粒使得包括所述量子点磷光体光谱和所述第一光谱的组合光谱的强度作为波长的函数，该组合光谱的强度与所述量子点磷光体光谱或所述第一光谱相比更为均匀一致。
15.如权利要求10的光源，其中所述组合光谱被感知为白光。
16.如权利要求10的光源，其中所述第一磷光体微粒包括选自石榴石、硫化物、硫化金属、硅酸盐、氧化物、氧氮化物、氮化物和硒化物基磷光体的微粒。
17.如权利要求16的光源，其中所述第一磷光体微粒掺杂稀土元素。
18.如权利要求10的光源，其中所述量子点磷光体微粒包括CdS、CdSe、CdTe、CdPo、ZnS、ZnSe、ZnTe、ZnPo、MgS、MgSe、MgTe、PbSe、PbS、PbTe、HgS、HgSe、HgTe、Cd(S1-xSex)、BaTiO3、PbZrO3、PbZrzTi1-zO3、BaxSr1-xTiO3、SrTiO3、LaMnO3、CaMnO3和La1-xCaxMnO3。
19.如权利要求10的光源，其中所述第一磷光体微粒和所述量子点磷光体微粒以一浓度比存在，其中选择所述浓度比、所述第一磷光体微粒和所述量子点磷光体微粒使得包括所述量子点磷光体光谱和所述第一光谱的组合光谱的强度作为波长的函数，该组合光谱的强度与所述量子点磷光体光谱或所述第一光谱相比更为均匀一致。
20.如权利要求15的光源，其中所述组合光谱还包括所述激发光的一部分。
全文摘要
本发明提供了磷光体组合物以及利用该磷光体组合物的光源。磷光体组合物包含第一和第二磷光体。第一磷光体微粒将激发波长的光转化成具有第一光谱的光，该第一光谱的特征为光强度作为波长的函数而变化。选择第一磷光体微粒以使第一光谱与微粒的尺寸无关。第二磷光体包含可将激发光转化成具有QD磷光体光谱的光的QD磷光体微粒。第一磷光体微粒和QD磷光体微粒以一浓度比存在。选择第一磷光体微粒和QD磷光体微粒及其浓度比以使组合光谱的强度作为波长的函数，该组合光谱的强度与QD磷光体光谱或第一光谱相比更为均匀一致。
文档编号H01L33/00GK1908114SQ20061009959
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月1日 优先权日2005年8月1日
发明者蔡美莺, 刘宇宏 申请人:安华高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司