专利名称：特别用于包含半导体光源的白色或彩色光源的转换材料、其制造方法以及包含所述转换 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种特别用于包括半导体光源的白色或彩色光源的转换材料、其制造 方法以及包含所述转换材料的光源。
背景技术：
特别地，本发明旨在提供一种转换材料，其用于将一次光源的照射至少部分地转 换成其他波长的光，其中所述一次照射可以包括例如蓝光，所述其他波长的光在下文中也 被称作二次照射并且可以包括例如黄光，通过一次照射以及根据具体情况而定的宽带的二 次照射的叠加能够产生彩色光或白光。通过适当选择转换材料并且调谐整个系统，可以按这种方式调节该光源的光颜色 或色坐标。将一次光源的照射转换成其他波长的光的步骤采用了发光体，发光体传统上也被 称作“磷光体”。这些发光体通常被嵌入在基质中，一次光穿过基质进行照射。可以借助转 换材料的厚度以及用发光体进行(一次或多次)掺杂的类型和浓度来调节转换的程度。基于转换的程度，可以调节所发射光的色坐标，使其在这种情况下处于某个极限 范围内，使得当产生白光时，可以产生所得的整体照射的暖白点和冷白点。一段时间以来，已知的是，例如通过叠加一次光源发射的蓝光和由转换一次光源 的蓝光产生的黄光而产生的白光。目前所建立的技术解决方案是基于存在并约束于聚合物基质的磷光体，所述聚合 物基质通常由环氧树脂或有机硅树脂构成。在这些实施例的情况下存在的缺陷具体在于，例如，聚合物对于诸如湿度和辐射 (具体来讲，短波UV)的环境状况的敏感性，以及对于升高至超过120°c的温度的敏感性。单 独发生或组合发生，这些都导致在任何情况下都被视为在某种程度上并非最佳的光学聚合 物特性的劣化或老化。由于随后接着发生的聚合物的膨胀、模糊化、退色(黄化、褐变)或 者甚至分解，导致这些所使用的光学系统的性能和使用寿命严重受损。随着性能的不断提升，尤其是基于LED或激光二极管(LD)的半导体光源的光输出 性能的不断提升，热稳定性显得越来越重要，这是因为除了其他的之外，可以通过可允许高 功率密度和高电流的半导体系统来实现这些光源的性能提升，由此整体系统不仅暴露于较 高的辐射功率而且还暴露于较高的热负载。目前已常用的温度水平大约且显著高于150°C，并且在一些情况下甚至高于 180°C，并且随后趋势明显朝向大于200°C的温度。因此，在几万小时和更长时间的长期使用 的过程中，聚合物目前自身已处于它们可应用的极限内，并将被分类为这类光源使用寿命 的限制参数。在 EP0936682B9(Nichia，“Light emitting device and display device (发 光器件和显示器件)”)中，GaN基蓝色发光二极管(LED)被描述为一次光源，连同基于(Y1^rGdr)3Al5O12ICe的用于转换的黄色荧光发光体使用，其中，r在0和1之间。诸如环氧树 脂、脲醛树脂、有机硅树脂或玻璃的透明材料被用作嵌入发光体的基质。然而，在这种情况下，验证了所有以上提及的聚合物的缺陷。在本说明书中没有考 虑到某些类型的玻璃的本征缺陷，如在(例如)特定组合物的磷光体的情况下，如与发 光体的反应，还例如在该环境下的氧化还原反应和固有色，这些都对整体光源的转换和性 能特性产生负面影响。US2006/0113906A1 (Nichia, "Light emitting device and method of manufacturing thereof (发光器件及其制造方法)”)描述了一种二极管，其具有用于覆盖 并保护发光芯片的玻璃板，并且玻璃必须由40J20-30重量％ )和SiO (50-60重量％ )构 成，并且可选地由SW2 (0-10重量％ )和/或TW2 (0-10重量％ )和/或其他组分构成，这些 组分的玻璃温度Tg在200°C和700°C之间，优选地为430°C至600°C，并且可以包含用于光 转换的荧光物质。玻璃板被描述为半导体芯片的盖子，所述玻璃板被布置成与芯片相距一 定距离。进一步描述的是，玻璃可以包含发光体，尽管没有考虑如何可以用这种发光体制造 这种玻璃，即使经验表明，例如，Ce:YAG和另外其他的发光体不能被加工成玻璃熔体，如为 了得到作为盖子的上述的玻璃板将会需要的。在常规的热处理期间，通常存在的趋势是玻 璃和发光体之间发生相互的化学反应，只要在这两方面，这两个组分没有明显地彼此匹配。 此外，在每种情况中，具有其发光体的玻璃的特定设计中，固有色以及分层能够相继发生。在EP 1471777A2中描述了一种被Ce激活并具有石榴石结构的发光体，其中，铽和 Y、Lu、Sc、La、Gd或Sm是主晶格的主要组分。所使用的密封化合物包含具有已经描述的所 有缺陷的聚合物。DE 10137641A1描述了一种用于嵌入发光体的圆顶型基质，其由玻璃状的主体形 成。在发射一次光的芯片与具有嵌入型发光体的圆顶之间，形成有凹陷，该凹陷被折射率高 的光学透明介质填充。该圆顶可以由玻璃制成，所述玻璃可以包含发光体、荧光玻璃或荧光 玻璃陶瓷。描述的是，发光体可以如何完全嵌入玻璃中，但没有考虑到如下事实，即在使用 不合适玻璃的情况下，磷光体在嵌入过程中会遭到侵袭，并由此至少部分或者甚至全部损 失了其转换特性，并且该过程会对玻璃的透射特性产生不利影响，并因此LED的效率会大 大降低，这是因为在这种情况下存在显著的朝向固有色的趋势。DE 102005023134描述了使用嵌入在玻璃基质中的发光体。被描述为玻璃基质的 是两个玻璃家族，硼冕玻璃(含有例如16-25%的1(20)和镧冕玻璃(含有例如5-25%的 ThO2)。同样，在该公开中，没有考虑到玻璃转换器系统的产量并且预料到仍然存在对包括 一次光源和转换器系统的整体系统的负面影响。此外，因为是硼冕玻璃，所以由于高碱含量 和尤其在较高温下的半导体中的碱迁移(这对于使用寿命来说是非常不利的)，导致预料 到芯片与转换器之间的负面的相互作用。在此提到的镧冕玻璃的特征在于，所含有的1 产生负面影响并且此外由于使用的原材料而导致其价格高。其在制造、使用和循环过程中 的环境相容性带来了额外的严重问题。US 6，642，618B2描述了使用由溶胶-凝胶玻璃制成的层作为转换材料，其掺杂有 荧光物质。用作荧光物质的是(Sr，Ba，Ca)Ga2S4:EU2+的硫化物。由溶胶-凝胶法制备的玻 璃含有I^bO、Ga203> Bi203、CdO, ZnO, BaO和Al2O3的组中的至少一种组分。溶胶-凝胶法进 而涉及与其中的转换器和其自身的变化相关的缺陷，这是因为只可以按坯(compact)的形式制备厚度小于10 μ m的非常薄的层。用溶胶-凝胶法制备坯的固体原理上是可行的，但是该过程是复杂的，因为需要 大于M小时的长的干燥时间，这就导致其被分类为对于许多重要应用而言是昂贵的且不 切实际的。此外，已知的玻璃还包含根据RoHS禁止的组分。缩写 RoHS (Engl. Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment (在电气和电子设备中某些有害物质的使用限 制))简称为EC Directive 2002/95/EC，其禁止在电气、电子设备和组件的制造和处理过 程中使用某些物质以及其在国家立法中相应的实施，允许分别最多0.01重量％的镉，最多 0. 1重量％的铅、汞、六价镉、PBB和PBDE。进而，溶胶-凝胶层的这种厚度限制了掺杂了发光体的能力，并因此只有数目上 受到严格限制的可能的色坐标(尤其是蓝色偏置的色表现)可以被调节，并因此系统的 效率有上限。由于眼睛的敏感度降低，因此蓝色部分只略微对整体亮度产生影响。传统溶 胶-凝胶前驱体的组分(根据前驱体的类型)还包含化学上非常具有侵略性的物质(富含 无机酸)，使得至少存在芯片将在其制造过程中受损的可能性。EP 1605526A描述了使用含有嵌入的转换材料的玻璃板以及将这些玻璃板分割开 并且将其加工成圆顶形。基质玻璃含有从Ge02、TeO2, PbO, CaO和化03的组中的至少一种 组分。然而，包括前述问题的缺陷包括RoHS禁止的1 含量以及使用昂贵的Geh和有毒的 TeO2原材料。日本专利的摘要(公布号2007-123410)描述了一种发光二极管，所述发光二极 管被磷光体嵌入其中的具有高折射率的玻璃覆盖。掺杂的玻璃是通过将粉碎的玻璃碎片 和相应的磷光体联合(同时)熔化来得到的。所使用的玻璃含有TeO2G0-53摩尔％ )、 化03(5-30 摩尔 ％ )和 ZnO (3-20 摩尔 ％ )以及可选的 G￡i203、Bi203、Ge02J203、L￡i203、Gd203 (0-7 摩尔％)和Ta2O5。一方面，由于Bi2O3和TeO2含量，因此存在该玻璃的固有色的风险，以及另 一方面，以上已提及的缺陷以及使用昂贵的且部分有毒的原材料(Te02、Ga203> Bi203、GeO2) (部分以高比例存在)对于其商业应用是非常不利的。另外，在具体情况下，其商业可应用 性的问题是由于增加的分层/结晶化趋势导致的。日本专利的摘要(公开号2007-016171)描述了一种波长转换材料，该材料由软 化点为700°C或更高的氮氧化物的玻璃制成和分布在玻璃中的基于氮化物的荧光材料制 成，其中发光体已经被添加到熔体中或者可以实际上产生由发光体制造玻璃本身。这些诸如反应性和固有色的缺陷这里也存在。预料到的是相互反应性的提高，尤 其在温度高于600°C的升高的温度环境下。另外，例如，与制备硅酸盐玻璃的过程相比，制备 氮氧化物玻璃的过程是复杂且昂贵的。在WO 2007/145047A1中公开的是一种波长转换材料，该材料由含有主要组分 SnOd2O3和P2O5的低熔点玻璃和分布在该玻璃中的基于氮化物的磷光大块材料制成。对于 制备有效的波长转换器而言，在此描述的玻璃或玻璃家族由于I32O5含量而趋于固有色，因 此至少在一些组分中是不合适的。EP 1880983描述了一种复合材料，该复合材料是通过混合且烘焙玻璃粉末并共混 发光体来得到的。按此方式制备的转换器实现了至少10%的能量转换效率。所描述的玻璃含有-如已经提及的那些所述的-高比例的(例如)ZnO、B2O3和碱，由此导致存在缺陷。 对于所描述的组分范围和所描述的制备方法，这些尤其导致可能的固有色。因此，整体系统 的效率降低，并且可以(如果存在的话)只略微高于所要求的10%的限制。总而言之，现有技术描述了光源，该光源基于具有波长转换器的LED或激光二极 管光源，该波长转换器包括发光体和基质材料，基质材料尤其具有固有的缺点和缺陷。就聚 合物而言，由于热负载和环境影响以及它们相对低的折射率，导致其特别不稳定。就所提及的无机基质材料而言，这些缺陷包括 它们与所嵌入的发光体的化学反应(特别地，在升高的温度下(玻璃状的基质) 或在高温下(陶瓷基质或熔融玻璃)制造转换器的过程中)对磷光体的荧光特性具有不利 影响或者废除它们(即使对于其热稳定性高于工艺温度的磷光体，例如，Ce:YAG)·在制备转换器的过程中发光体存在的缺陷·基质中的各个组分的毒性，其结果是有能力制备它们·特定的进而昂贵的合成，进而必要的特定制造方法，使得只能制备很少的量，因 此进而导致成本增加 基质玻璃的昂贵组成 所描述的基质材料、玻璃和玻璃家族在它们退火、熔化或由粉末再熔化之后的固 有色的至少可能的风险。单独地或者一起地，这些缺陷导致转换器效率低并且光输出低或者甚至导致无用 的实例，这是由发明人能够通过发明人自身针对上述玻璃和玻璃家族中的一些进行的实验 来证实的。本发明旨在提供一种无机波长转换材料，该材料具有含至少一种嵌入的发光体基 质玻璃，以通过将不同波长的光或不同特征的光谱根据其光谱曲线进行相加的颜色混合来 产生白光或彩色光。
发明内容
优选地，具有权利要求1的特征的转换材料根据具有权利要求22的方法的特征的 方法来制备。有利的实施例是相应的独立权利要求的主题。该转换材料包括玻璃，该玻璃在下文中也被称作基质或基质玻璃。基质玻璃的起 始材料以大块材料(bulk material)/体积材料(volume material)的形式存在或者作为 由其所得的疏松粉末而存在。该大块材料或体积材料是指在制备基质玻璃之后(即，其熔化之后)且在形成玻 璃料之前和/或在将玻璃研磨成粉末之前的基质玻璃。因此，大块材料是“坯”或熔融的玻 璃主体。它是具有不均勻密度的固体材料或主体。大块材料可以(例如)作为玻璃板或玻 璃块存在。特别地，在本发明的框架中存在的是一种转换材料，该转换材料包括作为大块材 料的基质玻璃，对于厚度为约Imm的基质玻璃，其在350nm至SOOnm的波长区域内和在一次 光源发光的区域内具有大于80%的纯透射率h，并且其中作为烧结体的基质玻璃由粉末 构成，该粉末具有的颗粒尺寸分布为颗粒尺寸dlO彡0. 7 μ m、d50彡3 μ m且d90 < 150 μ m。 在其即用状态下，转换材料额外包含至少一种发光体。这至少一种发光体随后被嵌入或并入基质玻璃中。特别地，对于包括半导体光源作为一次光元的白色或彩色光源，转换器是合适的。烧结体也被称作烧结的玻璃主体。它由基质玻璃形成，该基质玻璃已经被研磨成 粉末并且通过烧结的方式“粘结”。研磨基质玻璃。将粉末放置在模具中。通过烧结粉末来 形成烧结体。对粉末确定根据本发明的颗粒尺寸分布，即dlO彡0. 7ym, d50彡3μπι且 d90 ( 150 μ m。优选地，烧结体被烧结和/或颗粒尺寸分布被选择成使得对于没有嵌入的发光 体的烧结坯，在从350nm至SOOnm的光谱区内并且在一次光源发光的光谱区内的透射率和 反射率之和至少大于80 %，优选大于85 %，最优选大于90 %。特别地，烧结体被烧结和/或选择颗粒尺寸分布，使得在从350nm至SOOnm的光谱 区内，T
half * Tforward ^ 1 ^half Tforward ^ 700该比率使得所制备的烧结体根据其透射和 /或散射行为而具有特征的可能性。为了进一步具体化并且为了限定参数Thalf和Ttorad,参 考以下关于
图1的讨论。另外，在本发明的范围内的是一种用于白色或彩色光源的转换材料，其包括半导 体光源作为一次光源，包括作为纯玻璃主体的基质玻璃，对于厚度为约Imm的基质玻璃， 其在350nm至800nm的波长区域内和在一次光源发光的区域内具有大于80%的纯透射率 τ 以及由具有颗粒尺寸分布为颗粒尺寸dlO彡0. 7 μ m、d50彡3 μ m且d90 ^ 150 μ m的粉 末所获得的经研磨玻璃、由其并放置在模具中的生坯和此后通过烧结制备的经烧结的玻璃 主体(没有发光体)的透射率和反射率之和在350nm至SOOnm的光谱区内并且在一次光源 发光的区域内至少大于80%，以及在350nm至800nm的光谱区内该烧结体的Thalf Tforward 的商数为l<Thalf Tferad彡70。该生坯是由供给到烧结工艺的粉末制成的主体。发明人已经认识到，基质玻璃如此的特性，尤其是由其形成的玻璃粉末的特性，对 转换器的光学特性产生决定性的影响，所述玻璃粉末在烧结后形成用于嵌入的发光体的基 质。一方面，发明人已经认识到，基质玻璃的颗粒尺寸的大小和分布对烧结的基质玻 璃(未被掺杂)和转换器元件(被掺杂有磷光体)的光学特性产生重大影响。另一方面，发 明人已经认识到，趋向于较大直径的所选择的颗粒尺寸对烧结的基质玻璃(未被掺杂)和 转换器元件(被掺杂有磷光体)的光学特性产生有利影响。这与现有技术形成对比，根据现 有技术，在某种程度上尝试提供具有小颗粒尺寸的粉末，例如，平均直径d50小于约2. 5 μ m 的粉末。在这种情况下，普遍的观点来自于如下的假设，即太过粗糙导致烧结体中的孔增 多，使得这样将会大规模的不可控的散射中心的效果，并因此将会预料到的是，结果将会是 不能以受控方式调节的转换器元件的光学机制。以此方式制备的主体或转换器元件的效率 将会降低至不令人满意的水平。发明人通过对比已经发现，通过借助根据本发明的颗粒尺寸分布，可以按目标方 式调节或修改由透射、反射、吸收和/或散射组成的光学相关机制。另外，他们已经发现，大 或粗糙的晶粒因此造成烧结坯几乎透明，并且此外更容易被烧结。在第一组优选实施例中，在本发明中用作透明基质的是玻璃，其热膨胀系数在3和11 X IO-6K-1之间并且其折射率nd呈现出高于1. 6或等于1. 6的值。基质玻璃的特征还在于，所使用的磷光体(例如，Ce:YAG)在熔化/退火/烧结期 间根本没有被侵袭或溶出或者在显著的程度上没有被侵袭或溶出，被侵袭或溶出将会导致 其功能性至少受限或者其功能性完全丧失。在熔化/退火/烧结之后得到的主体以下还将被称作烧结体或者称作转换器或转 换材料。基质玻璃的组成没有毒和/或是存在环境问题的组分。在转换材料的使用状态下，转换材料含有至少一种发光体，其颗粒尺寸具有Iym 和50 μ m之间的平均直径d50，尤其优选在1 μ m和20 μ m之间的平均直径d50，最优选在 1 μ m禾口 15 μ m之间的平均直径d50。在本发明的替代实施例或补充实施例中，转换材料含有至少一种发光体，其颗粒 尺寸具有小于300nm的平均直径d50，尤其优选小于IOOnm的平均直径d50，最优选小于 40nm的平均直径d50。通过添加发光体来吸收一次照射。所产生的二次照射以及一次照射被附加地散 射。为了确保对一次照射的足够吸收和随之而来的转换，一次照射的散射应该不会太强。这 是通过相对大的发光体颗粒(在1 μ m和50 μ m之间，尤其优选在1 μ m和20 μ m之间以及 最优选地在1 μ m和15 μ m之间的d50)或者通过纳米级的颗粒(小于300nm，尤其优选小 于IOOnm以及最优选地小于40nm的d50)来实现的。如果发光体颗粒太大，则它们在烧结 工艺中难以被加工。另外，切实可行的颗粒尺寸具有的上限由转换元件的厚度来规定(通 常< 250 μ m)。另外，在本发明的范围内的是一种制备转换材料的方法。该制备的步骤优选地通 过如下方式进行熔化玻璃原材料、通过将熔体倾泻到(例如)水中(或冷却辊之间)形 成玻璃料(或薄碎片)、将玻璃料研磨成玻璃粉末、用荧光物质(磷光体)处理基质玻璃粉 末并例如进行诸如烧结的热处理，以形成新的玻璃主体/玻璃基质组成材料、转换器。将基 质玻璃研磨成粉末的步骤发生以使得粉末具有颗粒尺寸的颗粒尺寸分布为dlO > 0. 7μπκ d50 彡 3 μ m 且 d90 彡 150 μ m。该方法尤其适用于根据本发明制备转换材料。 在一个实施例中，在特定气氛中进行烧结的步骤。特定气氛优选地通过氮气、形成 气体和/或氩气提供或者作为降低的压力(例如低至10_6毫巴的真空)来提供。这种类型 的工艺设计保护发光体不受外部影响，诸如例如不受氧化或还原的影响。另外，由此完全可 能嵌入在某类玻璃中。此外，这样还可能的是，调节基质玻璃和/或发光体中的某些氧化还 原状态。通过在降低的压力下进行烧结，可以将可能的孔的数目和/或大小降低到最小或 者对其进行调节。在替代方式或补充方式中，这还可以通过压力烧结(单轴或均衡地)来 实现，由此根据待处理的材料组合的有利参数将观察到对特定气氛的调节。这个步骤是在 IOObar至3000bar、优选500巴至2500巴、最优选500巴至1500巴的范围内的压强下进行。 进而，该热处理的步骤在高达超过玻璃的软化温度(EW)的大致150K的温度范围内进行或 者以如下方式进行所采用玻璃的粘度范围在h = 1014dPas和h = 106dPas之间，优选h = 1013 5dPas和h = 107dPas之间，尤其优选在h = 1010dPas和h = 107dPas之间。可以进行 在这种情况下的退火，并且保持停留时间的范围为0至30分钟，优选15至300分钟，尤其优选在100至180分钟。所使用的发光体(例如，Ce: YAG)的颗粒尺寸具有在1 μ m和50 μ m之间的平均颗 粒尺寸直径d50，尤其优选在1 μ m和20 μ m之间的平均颗粒尺寸直径d50，最优选在1 μ m 和15 μ m之间的平均颗粒尺寸直径d50。在替代实施例或补充实施例中，所使用的发光体的 颗粒尺寸具有小于300nm的平均颗粒尺寸直径d50，尤其优选小于IOOnm的平均颗粒尺寸直 径d50，最优选小于40nm的平均颗粒尺寸直径d50。在本发明的另一个实施例中，发光体经受预处理，优选地，经受预热处理。根据发 光体的类型来选择温度。优选地，在特定气氛下进行预处理。特别地，这是通过氮气、形成 气体和/或氩气提供或者作为降低压力(例如低至10_6m巴的真空)来提供。在本发明的另一个实施例中，例如，在具有发光体的表面或外侧上，形成用于在烧 结期间保护磷光体不受玻璃的化学侵袭以及保护玻璃不受磷光体的化学侵袭的保护层或 者被提供作为(例如)对抗LED系统中的湿气的阻挡层的保护层。这个步骤是在与基质玻 璃共混之前进行的。该保护层“遮蔽”发光体，使之不受环境影响和/或热影响。将发光体 包封。因此，可以防止或者至少减少发光体的劣化。可选地，保护层可以是无机的。例如， 其通过湿化学法、溶胶-凝胶法、PVD和/或CVD形成或沉积。作为替代方式或补充方式，例如，根据前述方法之一，还可以用保护层来装备最终 处理和后处理的转换元件。例如，对抗湿气的阻挡层表示保护层的一个可能的实施例。在本发明的优化处理中，在烧结之后，对烧结体进行另外的温度辅助和可选的压 力辅助(单轴或均衡地)处理。因此，进一步最佳地调节以上已描述的转换材料或未掺杂 的烧结基质玻璃的光学机制，并且实现固体复合和/或消除了可能的应力。在一个实施例中，所提及的另外的退火是二次烧结。优选地，在250巴至2500巴、 优选在500巴至1500巴的压力范围下进行进一步的退火。此外，在某一温度下进行另外的 退火，使得所采用的玻璃粘度范围在h = 1014dPas和h = 106dPas之间，优选h = 1013 5dPas 和h = 107dPas之间，尤其优选在h = 1010dPas和h = 107dPas之间。可以在这种情况下进 行退火，并且保持停留时间的范围为30至600分钟，优选60至300分钟，尤其优选在100 至180分钟。玻璃基质的特征还在于，即使作为纯的紧凑的熔融玻璃主体或玻璃板(以上也称 作大块材料)，根据以上工艺中其也没有固有色，并因此一次光和二次光都以理想的方式保 持不变；这就意味着，它们被提供用于颜色混合，而没有由于吸收而衰减或发生光谱变化。因此，通常，由此考虑到光谱波长区W1的波长W1的光转换成光谱波长区W2的波长 W2的光，或者当使用η种磷光体时，转换成光谱波长区Wn的波长Wn的光，以便通过相加的方 式得到具有基本光谱分布Z1Xwn的光，因子ζ给出了颜色混合中涉及的相 关波长或波长区的比例和颜色强度。基于一次光源，诸如例如，LED (发光二极管)或LD (激光二极管)，其光谱至少部 分发射与发光体的激发光谱相对应的光，由此导致发射出其他波长的光。所采用的光源可 以(但不是必需)有助于与其自身光的混合，所述自身光至少部分没有被转换成其他波长。因此，提供一种无机基质材料/基质玻璃也是有利的， 其是热稳定且化学稳定的并且对于环境影响而言是稳定的 其不含有任何导致环境问题的组分或者对于健康而言存在问题的任何组分
·其可以不采用复杂的方法来大批制备，因此价格不昂贵·其对于嵌入的发光体表现出化学惰性(反之亦然)·其在没有发光体的情况下形成为转换材料(1)的基质的过程中不具有任何固有 色且(2)具有低反射率(背散射)，且发光体处于其吸收带的光谱区内(尤其对于根据本发 明的颗粒尺寸分布而言)。特别地 作为大块材料/玻璃的基质玻璃，在350nm至SOOnm的波长区域内基本没有吸收 带，对于穿过具有厚度d = Imm的基质玻璃的照射具有纯透射率τ , > 80%，并且 优选在350nm至800nm的光谱范围内(包括一个或多个一次光源的光谱区)，仅 被烧结(即，未被掺杂)的基质玻璃的透射率和反射率之和为至少>80%，优选>85%，最 优选> 90%，·和/或对于这些光谱区的反射率和透射率的差的最大和最小贡献相差不超过 40%，优选不超过25%，最优选不超过15%，·和/或在一次光源的光谱区内，在烧结状态下掺杂了发光体的基质玻璃的反射 率为< 30%，优选< 25%，最优选< 15%，以及 和/或在350nm至800nm的光谱区内(除了一次光源的光谱区之外)，在烧结状 态下掺杂了发光体的基质玻璃的透射率和反射率之和为至少> 80%，优选> 85%，最优选 > 90%,·和/或对于这些光谱区的反射率和透射率的差的最大和最小贡献相差不超过 40%，优选不超过25%，最优选不超过15%，·和/或对于第一组优选的实施例具有大于或等于1. 6的折射率。因此，在没有限制与产生另外的光颜色相关的一般性的情况下，可能的是将蓝光 转换成黄光，从而通过相加的方式得到白光或白光的生理颜色印象。白光在下文中不仅指 的是可见光的整个光谱，而且更确切地讲，尤其还指的是在人体内产生对白光的印象的任 何种类的光。特别地，本发明优选地包括—通过发光体将一次光源的蓝光转换成黄光，以便通过相加的方式得到白光的 颜色印象。特定的情况是基于蓝色LED和类型Ce:YAG(在大约560nm的波长区内发光)的 发光体来制造光源并且被感测为白色。—在每种情况下通过至少一种合适发光体将蓝光转换成黄光和/或红光和/或 绿光，以通过相加的方式得到白光(RGB或RGGB的混合物)—在每种情况下通过至少一种合适发光体将蓝光转换成黄光和/或红光和/或 绿光，以通过相加的方式得到特定颜色的光。优选的发光体含有以下物质组成的组中的至少一种物质作为主材料氧化 物、氮化物、氮氧化物、硫化物、氧硫化物、商化物、商氧化物Oialooxide)、商硫化物 (halosulfide)、碲化物和硒化物，其中主材料被掺杂从含有稀土(Ce、Eu、Tb、Gd、…)、过渡 金属(Cr、Mn)和重金属(TlJlKBi)的组中的至少一种物质。在所述的情况下转换UV光的过程中，在每种情况下需要一种在蓝色光谱区内发 光的另外的发光体。第一组和玻璃和玻璃家族
根据本发明的第一组优选的基质玻璃具有以下的特性a)折射率大于或等于1.6，且基质玻璃的折射率大于或等于1.6、优选地 1. 65-2. 0、优选地1. 8-1. 95，并因此与发光体(特别地，Ce:YAGn 1. 8)匹配。b)对于半导体元件的材料的折射率差被“最小化”的情况，根据半导体元件的构 造，折射率为(例如)1.8(蓝宝石),2.5 (GaN或InGaN)至3. 5 (AlInGaP)。特别地，在直接 接触转换器和半导体元件的情况下，在可能的范围内这种匹配是重要的，以便将光有效地 耦合至转换器。c)基质玻璃基本上没有固有色，包括·作为大块材料/玻璃的基质玻璃对于d = Imm具有纯透射率τ i > 80%，并且 在350nm至800nm的波长区内没有吸收带， 尤其对于根据本发明的颗粒尺寸分布dlO彡0. 7 μ m、d50彡3 μ m且 d90彡15(^111，在35011111至80011111的光谱范围内(包括各个一次光源的光谱区)，仅被烧 结(即，未被掺杂)的基体玻璃/玻璃基质的透射率和反射率之和为至少>80%，优选> 85%，最优选>90%，一次光源发光所处的光谱区被称作一次光源的光谱区，·以及，对于这些光谱区的反射率和透射率的差的最大和最小贡献相差不超过 40%，优选地不超过25%，最优选地不超过15%，·在一次光源的光谱区内，在烧结状态下掺杂了发光体的基质玻璃的反射率为 < 30%，优选< 25%，最优选< 15%，并且 在350nm至800nm的光谱区内(陈了一次光源的光谱区之外)，在烧结状态下 掺杂了发光体的基质玻璃的透射率和反射率之和为至少> 80%，优选> 85%，最优选> 90%,·以及在这些光谱区上所建立的反射率和透射率的差的最大和最小贡献相差不超 过40 %，优选地不超过25 %，以及最优选地不超过15 %。另外，根据本发明的基质玻璃的优点在于，转换器的厚度可以在宽范围中进行调 节(大致30 μ m至若干1000 μ m)这导致提供高度有效的转换材料的更大的设计自由度， 这是因为随后可以独立地变化发光体的密度和绝对数目，并因此装备有基质玻璃的光源和 一次光源的色坐标和效率可以得以最佳调节。另外，非常有利的是，对于嵌入的磷光体的化学惰性(反之亦然)，这意味着，嵌入 的磷光体或发光体相对于基质玻璃的化学惰性。此外，大有益处的是，当玻璃基质和发光体不仅相对于彼此为惰性，而且在温度升 高的情况下也没有相互反应，或者在发生反应的情况下，没有对发光体的特性产生负面影 响。在制备转换器的情况下和所得的光源操作期间都是真实的。另外，有利的是，能够在创建的工业工艺中进行该工艺，使得能够以似合理的成本 进行简单的近端形式(near-end-form)制造和端形式的制造，以及特殊实现转换器(例如， 发光体掺杂的梯度、额外的光学元件)。以下的玻璃和玻璃家族以令人惊奇的方式很好地实现了根据本发明的要求具有锌组分的镧硼硅酸盐玻璃、具有钇组分的铝硼硅酸盐和碱土硅酸盐。样品玻璃是· N-LaSF40 (SCHOTT AG)、N—LASF46 (SCHOTT AG)
· P-LaSF47(SCHOTT AG)、K-VC89(Sumita),· N-KzFS5(SCHOTT AG)、S-NBH5(Ohara)，· N-KzFS8 (SCHOTT AG)、·含 Y203 的玻璃(SCHOTT AG)，其中 nd 大于或等于 1. 6 :N_LAK9、N-LAK33A、 N-LAK34、N-LAF2、N-LAF7、N-LAF21、N-LAF34、N-LASF44、P-LASF47 和 K-LAFK60 (Sumita)此外，除了其他的之外，本发明可能有利的是提供了一种转换材料的玻璃基质， 特别地，这也是由于出于生态考虑，没有使用T120、TeO2和As2O3，以及优选地也没有组分 Bi2O3，在较低的处理温度下，可以同时实现所需的和有利的光学特性(nd/Vd)。这些玻璃作为基质玻璃不应该具有任何雾度、结晶度和固有色，此外，这些玻璃应 该可被烧结而没有固有色，并且应该对于随后含有的发光体可能几乎没有化学反应。对于根据本发明的第一组基质玻璃，折射率nd为nd ^ 1. 6并且优选地处理温度较 低。还应该容易进行熔化和处理，以及应该具有足够的析晶稳定性，这使得能够以连续运行 的组件来制备玻璃。特别地，提供折射率nd为nd彡1. 6的无砷和优选的无Bi2O3的玻璃，其包含以下的 组分(基于氧化物按重量％计)。以下的表格包括第一组的实例2至4。
权利要求
1.一种转换材料，所述转换材料特别用于包含半导体光源作为一次光源的白光或彩色 光源，所述转换材料包含作为大块材料的基质玻璃，对于厚度d为约Imm的所述基质玻璃，其在350nm至SOOnm的波长区域内并且在所述 一次光源发光的区域内具有大于80%的纯透射率h，以及所述基质玻璃通过将所述基质玻璃的粉末形成为烧结体而得到，所述基质玻璃的粉末 的颗粒尺寸分布为dlO彡0. 7 μ m，d50彡3 μ m，且d90 ^ 150 μ m。
2.根据权利要求1所述的转换材料，其中对于没有发光体的烧结体，在350nm至SOOnm 的光谱区内并且在所述一次光源发光的光谱区内的透射率和反射率之和至少大于80%，优 选大于85 %，最优选大于90 %。
3.根据权利要求1或2所述的转换材料，其中选择所述烧结体的颗粒尺寸分布，使得在 350nm 至 SOOnm 的光谱区内，商数 Thalf Ttoward 为 1 < Thalf Tforward 彡 70。
4.根据在前权利要求中的一项所述的转换材料，其中在350nm至SOOnm的光谱区内并 且在所述一次光源发光的光谱区内，在这个光谱区上建立的、对于反射率和透射率的差的 最大和最小贡献相差不超过40 %，优选不超过25 %，最优选不超过15 %。
5.根据在前权利要求中的一项所述的转换材料，其中在所述一次光源发光的光谱区 内，在烧结状态下掺杂了发光体的所述基质玻璃的反射率小于30 %，优选小于25 %，最优 选小于15%，以及在350nm至SOOnm的除了所述一次光源的光谱区之外的光谱区内，在烧结状态下掺杂 了发光体的所述基质玻璃的透射率和反射率之和至少大于80 %，优选大于85 %，最优选大 于 90%。
6.根据在前权利要求中的一项所述的转换材料，包含至少一种发光体，所述发光体的 颗粒尺寸具有Iym禾口 50 μ m之间、尤其优选1 μ m和20 μ m之间、最优选1 μ m禾口 15μπι之 间的平均直径d50。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的转换材料，包含至少一种发光体，所述发光体的 颗粒尺寸具有小于300nm、尤其优选小于lOOnm、最优选小于40nm的平均直径d50。
8.根据在前权利要求中的一项所述的转换材料，其中在350nm至SOOnm的除了所述一 次光源发光的光谱区之外的光谱区内，在这个光谱区上建立的对于反射率和透射率的差的 最大和最小贡献相差不超过40 %，优选不超过25 %，最优选不超过15 %。
9.根据在前权利要求中的一项所述的转换材料，其中嵌入在所述玻璃基质中的发光体 的内部转换量子效率与未被嵌入的发光体的内部转换量子效率相比降低了不超过20 %，优 选不超过10 %，最优选不超过5 %。
10.根据在前权利要求中的一项所述的转换材料，其中作为大块材料的所述基质玻璃 的折射率大于1. 6或等于1. 6，优选所述折射率的值为1. 65至2. 0，最优选所述折射率的值 为 1. 8 至 1. 95。
11.根据在前权利要求中的一项所述的转换材料，包含具有锌成分的镧硼硅酸盐玻璃， 具有钇成分的铝硼硅酸盐，以及碱土硅酸盐。
12.根据在前权利要求中的一项所述的转换材料，其中在每种情况下，所述基质玻璃按 重量百分比计包含
13.根据在前的权利要求1至11中的一项所述的转换材料，其中在每种情况下，所述基 质玻璃按重量百分比计包含
14.根据在前的权利要求1至11中的一项所述的转换材料，其中 在每种情况下，所述基质玻璃按重量百分比计包含
15.根据权利要求1至9中的一项所述的转换材料，其中作为大块材料的所述基质玻璃 的折射率小于1. 6，优选所述折射率的值为1. 43至1. 6，最优选所述折射率的值为1. 45至 1. 59。
16.根据在前的权利要求1至9或15中的一项所述的转换材料，其中所述基质玻璃包 含磷酸锌、硼硅酸盐、铝硼硅酸盐和/或碱土硅酸盐。
17.根据在前的权利要求1至9、15或16中的一项所述的转换材料，其中在每种情况 下，所述基质玻璃按重量百分比计包含
18.根据在前的权利要求1至9、15或16中的一项所述的转换材料，其中在每种情况 下，所述基质玻璃按重量百分比计包含
19.根据在前的权利要求1至9、15或16中的一项所述的转换材料，其中在每种情况 下，所述基质玻璃按重量百分比计包含
20.根据在前的权利要求1至9、15或16中的一项所述的转换材料，其中在每种情况 下，所述基质玻璃按重量百分比计包含
21.根据在前的权利要求1至9、15或16中的一项所述的转换材料，其中在每种情况 下，所述基质玻璃按重量百分比计包含
22.根据在前的权利要求中的一项所述的转换材料，其特征进一步在于，在不使用 Tl2O^TeO2和As2O3且优选还没有组分Bi2O3和/或PbO的情况下制备所述基质玻璃，对所述 制备的最低要求在于，在所述制备之后，所述转换材料具有权利要求4中限定的特征。
23.根据权利要求1至22中的一项所述的转换材料，包含作为主材料的发光体，所述 发光体包含选自以下的至少一种物质氧化物、氮化物、氮氧化物、硫化物、氧硫化物、卤化 物、卤氧化物、商硫化物、碲化物和硒化物，其中所述主材料被至少一种物质掺杂，所述至少 一种物质选自稀土(Ce、Eu、Tb、Gd、···)、过渡金属(Cr、Mn)和重金属(Tl、Bi)。
24.一种制备转换材料、特别是具有权利要求1至23中限定的特征的转换材料的方法， 包括提供基质玻璃，特别是具有权利要求1至23中描述的特性的基质玻璃；将所述基质玻璃研磨成粉末，所述粉末的颗粒尺寸分布为颗粒尺寸dlO > 0. 7 μ m，d50 ≥ 3 μ m，且 d90 ≤ 150 μ m ；将被粉碎的基质玻璃与以粉末形式存在的发光体混合；对混有所述以粉末形式存在的发光体的所述被粉碎的基质玻璃进行压制；以及对经压制的含有所述基质玻璃和所述发光体的混合物进行烧结。
25.根据权利要求M所述的方法，其特征进一步在于，所述烧结是在特定气氛下进行 的，特别地，通过氮气、形成气体和/或氩气或者作为降低的压力来提供所述特定气氛。
26.根据权利要求M或25所述的方法，其特征进一步在于，对所述发光体进行热预处 理，优选在特定气氛下进行热预处理，特别地，通过氮气、形成气体和/或氩气或者作为降 低的压力来提供所述特定气氛。
27.根据权利要求M至沈中的一项所述的方法，其特征进一步在于，对经压制的含有 所述基质玻璃和所述发光体的混合物进行加压烧结。
28.根据在前权利要求所述的方法，其特征进一步在于，在范围为100巴至3000巴、优 选500巴至2500巴、尤其优选500巴至1500巴的压力下，进行所述加压烧结。
29.根据权利要求对至观中的一项所述的方法，其特征进一步在于，在所述发光体的 表面上形成保护层。
30.根据权利要求M至四中的一项所述的方法，其特征进一步在于，在经过最终处理 且优选经过后处理的转换元件上形成保护层。
31.根据权利要求四或30所述的方法，其特征进一步在于，通过湿化学方法、溶胶-凝 胶法、PVD和/或CVD形成所述保护层。
32.根据权利要求M至31中的一项所述的方法，其中所使用的发光体如Ce:YAG的颗 粒尺寸具有Iym禾口 50口111之间、尤其优选1口111和20 μ m之间、最优选1 μ m禾口 15 μ m之间 的平均颗粒尺寸直径d50。
33.根据权利要求M至32中的一项所述的方法，其中所使用的发光体的颗粒尺寸具有 小于300nm、尤其优选小于lOOnm、最优选小于40nm的平均颗粒尺寸直径d50。
34.根据权利要求M至33中的一项所述的方法，其中根据软化温度，在与初始玻璃匹 配的温度和/或时间方式(加热速率和停留时间)下，在对含有所述基质玻璃和所述发光 体的所述混合物进行压制后进行所述烧结。
35.根据权利要求M至34中的一项所述的方法，其中所述烧结包括将经压制的含有 所述基质玻璃和所述发光体的所述混合物加热至范围在所述基质玻璃的所述软化温度EW 和所述处理温度Va之间的目标温度，优选加热至温度范围为所述软化温度之上至比所述 软化温度高约150K的目标温度。
36.根据权利要求M至34中的一项所述的方法，其中进行所述烧结，使得在烧结温度 下所采用的玻璃的粘度范围在h = 1014dPas和h = 106dPas之间，优选在h = 1013 5dPas和 h = 107dPas之间，尤其优选在h = IO10CPas和h = 107dPas之间。
37.根据权利要求M至36中的一项所述的方法，其中在所述加热期间，使用的加热速 率为IK/分钟至30K/分钟，优选IK/分钟至20K/分钟，最优选IK/分钟至IOK/分钟。
38.根据权利要求M至37中的一项所述的方法，其中经加热的、经压制的包含所述基 质玻璃和所述发光体的混合物在被冷却之前在大约目标温度处保持0至60分钟、优选0至 30分钟、最优选10分钟至30分钟的时间段，随后被冷却至室温。
39.根据权利要求M至38中的一项所述的方法，其特征进一步在于，对烧结的、经压制 的包含所述基质玻璃和所述发光体的混合物进行额外的退火，即进行温度辅助的以及任选 压力辅助的处理。
40.根据在前的权利要求所述的方法，其特征进一步在于，所述额外的退火是二次烧结。
41.根据在前两个权利要求中的一项所述的方法，其特征进一步在于，在250巴至2500 巴、优选500巴至1500巴的压力下进行所述额外的退火。
42.根据在前三个权利要求中的一项所述的方法，其特征进一步在于，进行所述额外的 退火，使得在退火温度下所采用的玻璃的粘度范围在h = 1014dPas和h = 106dPaS之间，优 选在 h = 1013 5dPas 和 h = 107dPas 之间，尤其优选在 h = 1010dPas 和 h = 107dPas 之间。
43.根据在前四个权利要求中的一项所述的方法，其特征进一步在于，进行所述额外的 退火的停留时间为30分钟至600分钟，优选60分钟至300分钟，尤其优选100分钟至180 分钟。
44.一种转换材料，所述转换材料优选具有权利要求1至23中的一项所述的特征，并且 通过或者能够通过具有权利要求M至43中的一项所述的特征的方法来制备。
45.一种光源，特别是一种白色或彩色光源，所述光源具有转换材料，所述转换材料优选具有权利要求1至23中的一项所述的转换材料的特征， 并且优选通过或者能够通过具有权利要求M至43中的一项所述的特征的方法来制备，以 及一次光源，特别是采用半导体光源作为所述一次光源，所述一次光源发射的光的波长 区域为225nm至520nm，优选350nm至480nm，最优选波长区域为400nm至480nm。
46.根据权利要求45所述的光源，其中所述一次光源包含LED，所述LED发射的光的波 长区域为400nm至480nm，优选420nm至480nm。
47.根据权利要求45所述的光源，其中所述一次光源包含UVLED，所述UVLED发射的 光的波长区域为235nm至400nm，优选365nm至400nm。
48.根据权利要求45所述的光源，其中所述一次光源包含半导体激光二极管，所述半 导体激光二极管发射的光的波长区域为400nm至480nm。
49.根据权利要求45至48中的一项所述的光源，其中，特别地，通过选择所述一次光 源，通过选择所述一种或多种发光体，以及通过调节所述发光体的浓度和/或所述转换材 料的厚度，能够按下面(X，Y)颜色空间中的色坐标来发射光A = (0. 16，0. 02)B = (0. 05，0. 30)C = (0. 02，0. 76)D = (0. 21,0. 76)E = (0. 72，0. 28)以此方式，色空间被限定在所述多边形截线AB⑶E中，在所述AB⑶E内，所述光源能够 发射基本上所有色坐标的光。
50.根据权利要求45至48中的一项所述的光源，其中，特别地，通过选择所述一次光 源，通过选择所述一种或多种发光体，以及通过调节所述发光体的浓度和/或所述转换材料的厚度，能够按下面(X，Y)颜色空间中的色坐标来发射光 F = (0. 28，0. 24) G = (0. 37，0. 35) H = (0. 37，0. 40) I = (0. 24，0. 28)以此方式，色空间被限定在所述多边形截线FGHI中，在所述FGHI内，所述光源能够发 射基本上所有色坐标的光。
51.根据权利要求45至48中的一项所述的光源，其中，特别地，通过选择所述一次光 源，通过选择所述一种或多种发光体，以及通过调节所述发光体的浓度和/或所述转换材 料的厚度，能够按下面(X，Y)颜色空间中的色坐标来发射光J = (0. 37，0. 35) K = (0. 37，0. 42) L = (0. 50，0. 45) M = (0. 50，0. 38)以此方式，色空间被限定在所述多边形截线JKLM中，在所述JKLM内，所述光源能够发 射基本上所有色坐标的光。
52.根据权利要求45至48中的一项所述的光源，其中，特别地，通过选择所述一次光 源，通过选择所述一种或多种发光体，以及通过调节所述发光体的浓度和/或所述转换材 料的厚度，能够按下面(X，Y)颜色空间中的色坐标来发射光N = (0. 21,0. 76) 0 = (0. 66，0. 34) P = (0. 60，0. 34) Q = (0. 15，0. 76)以此方式，色空间被限定在所述多边形截线NOPQ中，在所述NOPQ内，所述光源能够发 射基本上所有色坐标的光。
全文摘要
本发明涉及一种转换材料，所述转换材料特别用于包含半导体光源作为一次光源的白光或彩色光源，其包括作为大块材料的基质玻璃，对于厚度d为约1mm的所述基质玻璃，其在350nm至800nm的波长区域内并且在所述一次光源发光的区域内具有大于80％的纯透射率τi，其中对于没有发光体的烧结的基质玻璃，在350nm至800nm的光谱区内并且在所述一次光源发光的光谱区内的透射率和反射率之和至少大于80％。
文档编号C03C14/00GK102076624SQ200980125171
公开日2011年5月25日 申请日期2009年4月29日 优先权日2008年4月29日
发明者克劳蒂亚·斯托兹, 彼得·布里克斯, 彼得·纳斯, 萨布里纳·维莫, 西蒙·莫尼卡·里特尔, 赖纳·利巴尔德, 赛宾·皮希勒-威廉, 迪特尔·戈德科 申请人:肖特公开股份有限公司