[发明专利]用于高亮度白光发光二极管的透明陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及透明陶瓷，特别是一种用于高亮度白光发光二极管(以下简称为LED)的透明陶瓷及其制备方法，属于特种光功能陶瓷制备技术领域。

背景技术

与传统照明光源相比，白光LED具有体积小、能耗少、响应快、寿命长、无污染等特点，在城市景观照明、室内外普通照明、信号指示灯、平板显示以及背光源等领域具有极大的市场前景，被普遍认为是替代传统照明器件的新光源，受到国内外高度重视，特别是在全球节能和环保问题日益突出的情况下，发展高效节能的半导体固态照明意义十分重大。

目前最普遍的制作白光LED的方法是用高效InGaN/GaN基蓝光LED芯片发出蓝光激发铈激活的钇铝石榴石Y₃Al₅O₁₂:Ce(YAG:Ce)荧光粉，采用环氧树脂或硅胶封装，即YAG:Ce荧光粉分布在环氧树脂或硅胶内。YAG:Ce荧光粉与蓝光芯片匹配性好，发光效率高，但存在红光成分不足、显色指数低等问题，为解决这些问题常常加入一些稀土离子(例如钆Gd、镨Pr等)作为掺杂剂，增大YAG结构的晶格畸变使Ce³⁺离子在黄光波段的发光红移，或者直接补充红光波段的发光，来提高白光LED的显色性能。但是对于大功率高亮度的白光LED，以传统的荧光粉做转换材料存在比较严重的问题：蓝光LED芯片在大注入电流下点亮会持续发热，而环氧树脂或硅胶外壳达不到散热要求将使LED芯片温度升高，发光效率下降；另一方面荧光粉在温度升高时转换效率下降，而环氧树脂或硅胶外壳在连续热量的积累下会加速老化，使荧光粉的转换效率也下降，导致高亮度白光LED出现热致光衰现象，影响其实用性。透明陶瓷具有比环氧树脂或硅胶高得多的热导率和热稳定性，而且具有较高的硬度等力学性能，使用透明荧光陶瓷来转换波长同时作为封装外壳，可极大的缓解高亮度白光LED的散热问题，延长其使用寿命，具有较高的经济效益。

国内关于白光LED用荧光转换材料也做了一些研究工作，如中国专利CN1815765提出一种YAG晶片式白光发光二极管及其封装方法，将稀土掺杂的YAG晶片用作荧光材料，但是与透明陶瓷相比，单晶的生长温度和制备成本都较高，而且在机械、力学稳定性方面存在不足，限制了加工制造的灵活性。且该技术方案中激活离子在YAG单晶中的分凝系数很低，较大的掺杂量将导致晶体质量严重下降，制约其转换效率。中国专利CN101338879A公开了一种利用YAG透明陶瓷制备白光LED的方法，实际上是多晶颗粒涂覆层，颗粒尺寸在1～300nm，而不是块体陶瓷材料，与传统荧光粉差别不大。目前采用YAG:Ce体系(包括掺杂Gd、Pr、Sm、Dy等)的透明陶瓷虽然可以用做白光LED的转换材料，但其转换效率仍与传统YAG:Ce体系的荧光粉相比有差距。

在对高转换效率透明荧光陶瓷的研究中，我们发现当将非常少量的共激活离子如Li⁺掺入到基质中会显著增强荧光体的发光强度。我们认为，以Li⁺作为共激活离子一方面可起烧结助剂的作用，可以改善结晶质量，提高激活离子的发光强度；另一方面，Li⁺离子的引入也可产生适量的氧空位，而氧空位可作为有效能量传输的敏化剂。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于高亮度白光发光二极管(以下简称为LED)的透明陶瓷及其制备方法，该方法制得的透明陶瓷应具有透过率高、热导率高，化学和热稳定性好和荧光转换效率高的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种高亮度白光LED用透明陶瓷，其特点在于该透明陶瓷的化学式为：(Y_3-x-y-zCe_xLi_yR_z)(Al_5-nM_n)O₁₂，其中R可为La、Pr、Sm、Gd、Tb、和Dy中的至少一种，M为Sc、Ti、V、Cr和Mn中的至少一种，x、y、z和n的取值范围是0.003≤x≤0.06，0.003≤y≤0.06，0≤z≤0.75，0≤n≤0.75。

所述高亮度白光LED用透明陶瓷的制备方法，该方法包括如下步骤：

①选定所需制备的透明陶瓷的化学式：