[发明专利]发光陶瓷转换器及其制备方法

说明书

相关的交叉申请

本申请要求申请于2010年1月28日的U.S.在先申请NO.61/298,940的权益。

技术领域

本发明涉及用于将光源发出的光转化为不同波长的光的陶瓷转换器。特别是，本发明涉及荧光粉转换发光二极管(phosphor-conversion light emitting diodes，pc-LEDs)及相关的发光陶瓷转换器。

背景技术

发光陶瓷转换器通常用于发白光pc-LED中以将由InGaN LED半导体芯片(chip)发射的部分蓝光转换为黄光。剩余的经过转换器的未转换的蓝光和由转换器发出的黄光合并以生成所述pc-LED的总白光发射。pc-LED装置中的发光陶瓷转换器通常是致密发光陶瓷的薄的平板，其固定于LED芯片的表面使得所述板紧贴发光表面。为了产生白光，转换器的材料通常基于铈活化的钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂)，也被称为YAG:Ce。也可钆将掺杂入YAG结构以轻微改变发射光(Gd-YAG:Ce)的颜色。向陶瓷中加入铈活化剂提供了光转换的手段。所述铈部分地吸收由LED发射的蓝光(波长约420-490nm)且重新发射具有570nm左右宽峰的黄光。上述蓝和黄光的混合提供了所需的白光。

颜色均匀性是通过pc-LED输出的白光的重要方面。例如，在汽车前灯应用中，投射在路上的光束的颜色均匀性是重要的，以便所述前灯符合SAE和ECE要求。投射颜色均匀的光束的一个关键因素是LED组件(package)输出随视角围绕LED改变时显示最小的颜色位移的光。然而这并不是容易克服的琐细的问题。

通过pc-LED发射的光的颜色取决于未吸收的蓝光和转换的黄光的量的比率，其被光在转换器中传播的光程长度所影响。特别是，当由下面的蓝光LED发射的光通过陶瓷转换器时，相比于以远离垂直的角度传播通过该陶瓷转换器的光线，垂直该芯片表面传播的光线具有更短的到转换器的光发射面的光程。吸收量(和以更长波长的后续再发射)遵循比尔-朗伯定律，其显示指数依赖于浓度和厚度：

I/I₀＝10^-εct (1)，

其中I₀和I是入射和透射光的亮度，ε是吸收体(absorber)的摩尔吸光系数，c是吸光体的浓度，和t是通过所述材料的光程长度。

因此，以远离垂直的角度传播通过陶瓷转换器的蓝光将更强烈地被吸收，这是因为其在材料中更长的光程。这导致较少的蓝光和较多的黄光以较大的角度离开转换器，由此相比于垂直于转换器表面发射的光，产生具有更大比例黄光的总发射。

一种减少角色移(angular color shift)的方法是，通过在陶瓷材料中以孔隙的形式引入散射位点，在转换器中产生对于所有光线的更长光程。大部分陶瓷通过烧结成形的粉末压实体而制造，所述粉末包含一定量的和尺寸分布的在粉末颗粒间的称为“孔隙”的空隙空间。这些通过在陶瓷体中的的颗粒间间隔形成的孔隙通常称作基质孔隙(matrix pore)。所述烧结过程基本上带来粉末颗粒的中心更聚拢(closer together)，在一定程度上去除了孔隙度，和增长了在陶瓷材料中的晶体的晶粒大小。不是设法消除孔隙度，而是可以将所述烧结温度或烧结时间降低，以使所述基质孔隙在陶瓷的致密化过程中不全部消除。

在减少角色移中使用孔散射的一个缺点是与孔隙的过量散射相关联的功效降低。散射的有效性将由陶瓷中孔隙的浓度(concentration)和尺寸决定。如果孔隙的浓度过大，光将通过内部散射被充分吸收和总LED输出将减少。

在国际专利申请NO.WO2007/107917中报道，孔隙尺寸对于功效的影响以具有约800nm孔径的孔隙为最佳。所述功效孔径尺寸小于500nm时迅速降低和当孔径大于1000nm时稳步降低。然而，通过控制烧结周期控制孔隙的尺寸和尺寸分布很困难，这是由于太多的因素，例如晶粒尺寸、颗粒压实(particle packing)、晶粒生长和烧结温度，所有都影响在烧结的陶瓷转换器中的最终孔隙群。因此由于陶瓷加工的热力学和动力学特点，很难生产出具有所需的孔隙尺寸和分布的陶瓷。

发明概述

本发明的目的是消除上述现有技术的缺点。

本发明的更进一步的目的是提供控制和获得在发光陶瓷转换器中所需的孔隙的分布和尺寸的可靠方法。