本發(fā)明屬于LED發(fā)光技術領域，涉及一種用于白光LED器件的條形碼結構熒光陶瓷的結構設計及其制備方法。

背景技術：

白光LED以其高亮度、高顯色指數、節(jié)能環(huán)保、響應速度快、使用壽命長、體積小、可靠性高等眾多優(yōu)點，成為繼白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈之后的“第四代綠色照明光源”，并從特種光源應用領域逐漸步入普通照明領域。

目前，市場上的白光LED產品主要是使用以粉末態(tài)熒光粉為主的熒光材料，具體是將摻雜稀土發(fā)光材料的熒光粉均勻分布于環(huán)氧樹脂、硅膠等有機材料中，然后封裝在藍光芯片上，將藍光(或紫光)轉換產生白光的光轉換技術來實現。但是由于粉末態(tài)熒光粉自身的特點，使得目前商業(yè)產品化的LED存在著諸多問題，如熒光粉顆粒于有機材料中的均勻分散性差及表面的大量光散射，有機基材的熱穩(wěn)定性差，熒光粉紅色成分的缺失等，這些問題對白光LED器件的光學均勻性、發(fā)光效率、發(fā)光效果及使用壽命都造成了很大損害。另外，目前市場上商業(yè)化的熒光粉大部分來自于歐美、日本等國家，我國企業(yè)自主產權的缺失，極大地限制了我國LED器件產業(yè)的進步和發(fā)展。

值得關注的是，當熒光粉被制成熒光透明陶瓷后，由于熒光陶瓷能夠透光，擁有優(yōu)良的機械強度，化學穩(wěn)定性，耐腐蝕，硬度高等特點，使得器件更耐磨損、抗沖擊，耐高溫，有效避免了現有熒光粉與環(huán)氧樹脂/有機硅混合后沉降導致的不均勻和涂膠工藝時間限制不能太長的缺點，省去了涂膠工藝并避免了涂膠均勻性控制問題。且器件經過長時間使用，表面損傷少，保持高透過率，使LED器件使用壽命更長。因而，利用熒光透明陶瓷制作白光LED具有燈光效果好、效率高、工藝簡單流程少、使用壽命長等眾多優(yōu)勢，因而是發(fā)展和推廣LED產品的重要選擇。

目前，應用于LED的熒光陶瓷主要有兩種結構方式：中國專利CN 104276818A提供了一種多層復合YAG透明陶瓷，其將擁有不同發(fā)光中心的熒光陶瓷疊加在一起，通過藍光LED芯片激發(fā)疊層陶瓷后發(fā)出白光。但是這種疊層結構陶瓷由于接觸面結構和折射率等的差異，使器件的光量損失嚴重，大大降低了燈具的發(fā)光效率。中國專利CN103682044A提供了一種透光性陶瓷片作為發(fā)光體的白光LED器件，其是在陶瓷基體中摻入不同發(fā)光中心離子，通過調節(jié)光譜，達到激發(fā)后發(fā)白光的目的。但是這種方法得到的材料存在著顯色指數和色溫差等問題。

技術實現要素：

本發(fā)明的技術目的是提供一種用于白光LED的熒光陶瓷，其具有光轉換效率和顯色指數高、使用壽命長、熱穩(wěn)定性好等特點，使用該熒光陶瓷的白光LED器件既能實現光能的高效利用，又可保證照明系統的小型緊湊化，因而可有效的彌補現有技術的不足和滿足市場商業(yè)化要求。

為了實現上述技術目的，本發(fā)明人基于紅光、藍光、綠光三基色混合成白光的原理，設計將不同成份組成的熒光陶瓷緊密連接在一起，并且各熒光陶瓷在水平面上有規(guī)律地交替緊密排列，形成類似條形碼的整體結構，經垂直水平面的激發(fā)光激發(fā)后發(fā)出白光。

即，本發(fā)明的技術方案為：一種用于白光LED器件的條形碼結構熒光陶瓷，由兩種以上的陶瓷單元構成，每種陶瓷單元經同一種LED芯片激發(fā)后發(fā)出不同顏色的光；

假設X軸與Y軸互相垂直，二者是構成水平面的坐標軸；各種陶瓷單元沿著X軸和/或Y軸方向交替緊密排列，形成類似條形碼的整體結構；

LED芯片設置在水平面上方或下方，經LED芯片激發(fā)后，該具有條形碼結構的熒光陶瓷發(fā)出白光。

所述的陶瓷單元的材料不限，可以是由基體與發(fā)光中心組成，其中基體包括YAG、LuAG、GGAG等具有石榴石結構，Na₂Ba₂Si₂O₇、Ba₉Sc₂Si₆O₂₄、Ba₉Lu₂Si₆O₂₄等硅酸鹽材料體系或者為Y₂O₃、Lu₂O₃、Sc₂O₃、Al₂O₃、MgAl₂O₄、CaF₂、ZnS、ALON、MgO、ZrO、BeO中的一種或多種的組合。發(fā)光中心為Ce³⁺、Eu²⁺、Eu³⁺、Er³⁺、Tb³⁺等稀土離子以及Ti³⁺、Mn²⁺、Cr³⁺、Bi³⁺等過渡金屬離子中的一種或多種的組合。

所述的陶瓷單元種類是由LED芯片類型決定。例如，當所用芯片為藍光LED芯片時，所述的陶瓷單元包括發(fā)黃光的陶瓷單元和發(fā)紅光的陶瓷單元組成；當所用芯片為紫外LED芯片時，所述的陶瓷單元包括發(fā)綠光的陶瓷單元、發(fā)黃光的陶瓷單元以及發(fā)紅光的陶瓷單元組成。其中，發(fā)黃光的陶瓷單元材料不限，可以是GGAG:Ce、YAG:Ce等；發(fā)紅光的陶瓷單元材料不限，可以是GGAG:Eu、GGAG:Cr、YAG:Pr、YAG:Eu等；發(fā)綠光的陶瓷單元材料不限，可以是摻銪或鉍激活的石榴石或硼鋁酸鹽等等。

作為優(yōu)選，所述的每種陶瓷單元的厚度為0.15-40mm，長度為0.01-25mm，寬度為0.01-15mm。

作為優(yōu)選，所述的條形碼結構熒光陶瓷的厚度為0.15-45mm，長度為0.05-50mm，寬度為0.01-30mm。

本發(fā)明還提供了一種制備上述條形碼結構熒光陶瓷的方法，包括如下步驟：

(1)按照各陶瓷單元的組份進行配料，處理后得到粉體；按照所述條形碼結構設計模具；將各粉體注入模具中對應的位置，然后干壓成型，得到素坯；或者，

按照各陶瓷單元的組份進行配料，處理后得到粉體，將粉體配制成對應的漿料；按照所述條形碼結構設計模具；將各漿料注入模具中對應的位置，干燥后煅燒，得到素坯；或者，

按照各陶瓷單元的組份進行配料，處理后得到粉體，將粉體配制成對應的漿料；按照所述形碼結構將各漿料直接凝固、流延成型或者凝膠成型，得到素坯；

(2)將素坯經燒結處理后雙面拋光，得條形碼結構熒光陶瓷。

所述的步驟(1)中，作為優(yōu)選，所述的漿料中還可以包括分散劑、粘結劑、塑化劑等中的一種或者幾種。

所述的步驟(2)中，還包括冷等、熱等、退火等處理。

與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)與現有的熒光粉相比，本發(fā)明提供的條形碼結構熒光陶瓷可以有效地解決熒光粉顆粒在有機材料中均勻分散性差、表面光散射以及紅色成份缺失等問題，可有效提高器件發(fā)光效率，得到低色溫和高顯色指數的白光。并且，熒光陶瓷導熱性能好，且遠離芯片熱源，在封裝過程中可以避免環(huán)氧樹脂或者硅膠的使用，故而提高LED器件的發(fā)光效率和使用壽命。

(2)與疊層透明陶瓷相比，本發(fā)明提供的條形碼結構熒光陶瓷在一個水平面片體上直接包含不同的陶瓷單元，并且各陶瓷單元沿著X軸或者Y軸緊密排列，構成不同的發(fā)光像素單元，在激發(fā)光的入射方向沒有不同陶瓷組分的界面存在，不會造成光能的大量損失。所以擁有更好的發(fā)光效果。

(3)與傳統多摻透明熒光陶瓷相比，本發(fā)明提供的條形碼結構熒光陶瓷可有效的解決傳統多摻熒光陶瓷中存在的光譜修飾及補償的問題，因而具有更好的發(fā)光效率。

(4)與透明熒光玻璃相比，本發(fā)明提供的條形碼結構透明熒光陶瓷是由不同熒光組分制備而成的統一整體，不存在透明熒光玻璃中組分混合的問題。另外，陶瓷比玻璃具有更優(yōu)異的導熱性能，故可減少器件中熱量的累積，降低熱光衰。

(5)本發(fā)明的條形碼結構熒光陶瓷的透過率≥45％，可被有效激發(fā)，并且可以通過調節(jié)各陶瓷單元的尺寸和/或各陶瓷單元材料而調節(jié)條形碼結構熒光陶瓷的發(fā)射光譜，最終實現白光發(fā)射，發(fā)射光譜覆蓋480～750nm。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1中的條形碼結構熒光陶瓷的結構示意圖；

圖2是中從左往右依次是GGAG:Ce³⁺熒光陶瓷，實施例1中的條形碼結構熒光陶瓷，以及GGAG:Eu³⁺熒光陶瓷；

圖3是圖2中的條形碼結構熒光陶瓷經393nm激發(fā)光激發(fā)后的發(fā)射譜圖；

圖4是圖2中的條形碼結構熒光陶瓷的透過率圖；

圖5是實施例1中的條形碼結構熒光陶瓷用于白光LED的結構圖；

圖6是本發(fā)明實施例2中的條形碼結構熒光陶瓷的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖、實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。

實施例1：

本實施例中，熒光陶瓷結構如圖1所示，由兩種陶瓷單元：GGAG:Ce³⁺和GGAG:Eu³⁺組成，圖1中白色填充部分表示陶瓷單元GGAG:Ce³⁺，黑色填充部分表示陶瓷單元GGAG:Eu³⁺；這兩種陶瓷單元結構完全相同，呈立方體，厚度、長度與寬度均相等，厚度為0.15-45mm，長度為0.05-50mm，寬度為0.01-30mm；假設X軸與Y軸互相垂直，二者是構成水平面的坐標軸，則這兩種陶瓷單元沿著X軸方向交替緊密排列，形成類似條形碼的整體結構。

該熒光陶瓷通過干壓成型方法得到，具體制備方法如下：

(1)按照圖1所示的條形碼結構設計模具；按照各陶瓷單元的組份進行配料，通過液相法得到粉體；將各粉體按照圖1所示的條形碼結構注入模具中對應的位置，然后干壓成型，得到高強度、高密度的素坯，壓結壓力為5Mpa；

(2)將素坯冷等處理，冷等壓力為250Mpa；然后在氧氣氣氛下燒結，燒結溫度為1650攝氏度，保溫時間為2h；接著把燒結后的樣品熱等靜壓處理，再放入馬弗爐中，在空氣氣氛下1300℃保溫45h進行退火處理，最后進行雙面拋光至1mm，得到熒光陶瓷樣品，

上述制得的熒光陶瓷樣品中，包含紅光、黃光的像素單元，并且紅光、黃光的像素單元個數比為1:1，整體呈條形碼結構。

圖2中從左往右依次展示了GGAG:Ce³⁺熒光陶瓷，上述制得的條形碼結構熒光陶瓷樣品，以及GGAG:Eu³⁺熒光陶瓷，這三中熒光陶瓷的尺寸一致，所不同的是上述制得的條形碼結構熒光陶瓷樣品由陶瓷單元GGAG:Ce³⁺和GGAG:Eu³⁺組成，形成條形碼結構。該條形碼結構的熒光陶瓷經393nm激發(fā)光激發(fā)后的發(fā)射譜圖如圖3所示，透過率圖如圖4所示，可以看出上述制得的該條形碼結構的熒光陶瓷具有覆蓋全光譜的發(fā)光范圍，而且具有極高的透過率(在發(fā)射峰處透過率可達80％)。

上述制得的條形碼結構熒光陶瓷樣品可用于白光LED，其結構如圖5所示，藍光LED芯片2放置在器件基座3上，將該條形碼結構熒光陶瓷樣品置于藍光LED芯片2上方，工作狀態(tài)時，條形碼結構熒光陶瓷經藍光LED芯片激發(fā)后得到白光。

實施例2：

本實施例中，熒光陶瓷結構如圖6所示，由兩種陶瓷單元：GGAG:Ce³⁺、GGAG:Bi³⁺和GGAG:Eu³⁺組成，圖6中斜線填充部分表示陶瓷單元GGAG:Ce³⁺，白色填充部分表示陶瓷單元GGAG:Bi³⁺、黑色填充部分表示陶瓷單元GGAG:Eu³⁺；這三種陶瓷單元結構完全相同，呈立方體，厚度、長度與寬度均相等，厚度為0.15-45mm，長度為0.05-50mm，寬度為0.01-30mm；假設X軸與Y軸互相垂直，二者是構成水平面的坐標軸，則這三種陶瓷單元沿著X軸與Y軸方向交替緊密排列，形成類似條形碼的整體結構。

該條形碼結構熒光陶瓷通過干壓成型方法得到，具體制備方法如下：

(1)按照圖6所示的條形碼結構設計模具；按照各陶瓷單元的組份進行配料，通過固相法得到粉體；將各粉體按照圖6所示的條形碼結構注入模具中對應的位置，然后干壓成型，得到高強度、高密度的素坯，壓結壓力為5Mpa；

(2)將素坯冷等處理，冷等壓力為250Mpa；然后在氧氣氣氛下燒結，燒結溫度為1650攝氏度，保溫時間為2h；接著把燒結后的樣品熱等靜壓處理，再放入馬弗爐中，在空氣氣氛下1300℃保溫45h進行退火處理，最后進行雙面拋光至1mm，得到熒光陶瓷樣品。

上述制得的條形碼結構熒光陶瓷樣品中，包含黃光、綠光和紅光的像素單元，并且黃光、綠光和紅光的像素單元個數比為1:1:1，整體呈條形碼結構。

上述制得的條形碼結構熒光陶瓷樣品可用于白光LED，其結構如圖5所示，紫外LED芯片2放置在器件基座3上，將該條形碼結構熒光陶瓷樣品置于紫外LED芯片2上方，工作狀態(tài)時，條形碼結構熒光陶瓷片經紫外LED芯片激發(fā)后得到白光。

實施例3：

本實施例中，熒光陶瓷結構如圖1所示，由兩種陶瓷單元：GGAG:Ce³⁺和GGAG:Pr³⁺組成，圖1中白色填充部分表示陶瓷單元GGAG:Ce³⁺，黑色填充部分表示陶瓷單元GGAG:Pr³⁺；這兩種陶瓷單元結構完全相同，呈立方體，厚度、長度與寬度均相等，厚度為0.15-45mm，長度為0.05-50mm，寬度為0.01-30mm；假設X軸與Y軸互相垂直，二者是構成水平面的坐標軸，則這兩種陶瓷單元沿著X軸方向交替緊密排列，形成類似條形碼的整體結構。

該條形碼結構熒光陶瓷通過流延成型方法得到，具體制備方法如下：

(1)按照各陶瓷單元的組份進行配料；以去離子水為溶劑，聚丙烯酸鈉(PAAS)為分散劑，甲基纖維素(MC)為粘結劑，丙三醇為塑化劑；在每種粉體中添加0.6％的PAAS，分別獲得具有分散穩(wěn)定性的GGAG:Ce³⁺和GGAG:Pr³⁺粉料懸浮液；將各懸浮液球磨8h后，加入1.5％MC和1.2％丙三醇，繼續(xù)球磨20h，然后真空除泡10min，得到陶瓷漿料；

(2)按照圖1所示的條形碼結構將各陶瓷漿料在預凍溫度為–25℃的冷源上分別流延成型，控制刮刀間隙為1mm。待流延層結晶后，重復操作，流延第二層和第三層，每層厚度控制為1mm，得到多層流延片；

(3)將多層流延片冷凍干燥24h后，樣品在1650℃燒結，保溫2h，再隨爐冷至室溫。最后，瓷片雙面拋光至0.5mm后得到熒光陶瓷樣品。

上述制得的條形碼結構熒光陶瓷樣品中，包含紅光、黃光的像素單元，并且紅光、黃光的像素單元個數比為1:1，整體呈條形碼結構。

上述制得的條形碼結構熒光陶瓷樣品可用于白光LED，其結構如圖5所示，藍光LED芯片2放置在器件基座3上，將該條形碼結構熒光陶瓷樣品置于藍光LED芯片2上方，工作狀態(tài)時，條形碼結構熒光陶瓷片經藍光LED芯片激發(fā)后得到白光。

實施例4：

本實施例中，熒光陶瓷結構如圖1所示，由兩種陶瓷單元：GGAG:Eu³⁺和GGAG:Ce³⁺組成，圖1中白色填充部分表示陶瓷單元GGAG:Ce³⁺，黑色填充部分表示陶瓷單元GGAG:Pr³⁺；這兩種陶瓷單元結構完全相同，呈立方體，厚度、長度與寬度均相等，厚度為0.15-45mm，長度為0.05-50mm，寬度為0.01-30mm；假設X軸與Y軸互相垂直，二者是構成水平面的坐標軸，則這兩種陶瓷單元沿著X軸方向交替緊密排列，形成類似條形碼的整體結構。

該條形碼結構熒光陶瓷通過非水基注漿成型方法得到，具體制備方法如下：

(1)按照各陶瓷單元的組份進行配料，研磨為粉體；以0.8wt％的正硅酸乙酯(TEOS)為燒結助劑，無水乙醇為分散介質，與該粉體混合后通過ZrO₂球磨罐球磨的方法，分別制得質量比為2:1的釔鋁石榴石和釓鎵鋁石榴石陶瓷粉體漿料；

(2)按照圖1所示的條形碼結構設計石膏模具；把球磨后的漿料按照圖1所示的條形碼結構注入模具中對應的位置，在低溫下干燥24h，隨后在空氣氣氛下于800℃煅燒2h，除去殘留的TEOS，得到高強度、高密度的素坯；

(3)將素坯置于真空爐中進行燒結，以10℃/min升溫至1700℃并于10^-3Pa下保溫20h，然后以10℃/min冷卻至室溫；把燒結后的樣品放入馬弗爐中，在空氣氣氛下1450℃保溫10h進行退火處理，最后瓷片雙面拋光至0.5mm，得到熒光陶瓷樣品；

上述制得的條形碼結構熒光陶瓷樣品中，包含紅光、黃光的像素單元，并且紅光、黃光的像素單元個數比為2:1，整體呈條形碼結構。

上述制得的條形碼結構熒光陶瓷樣品可用于白光LED，其結構如圖5所示，藍光LED芯片2放置在器件基座3上，將該熒光陶瓷樣品置于藍光LED芯片2上方，工作狀態(tài)時，熒光陶瓷片經藍光LED芯片激發(fā)后得到白光。

以上所述的實施例對本發(fā)明的技術方案進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內所做的任何修改、補充或類似方式替代等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。