專利名稱：一種用于白光led的釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷體的制備方法
一種用于白光LED的釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子材料制備技術(shù)，特別是一種用于白光LED的釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷體的制備方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的高溫固相法燒結(jié)釔鋁石榴石(YAG)，粉體溫度高達(dá)1550攝氏度，即使加助溶劑后，燒結(jié)溫度仍然約為1450攝氏度，而且還容易引入雜質(zhì)，處理起來不是很方便。傳統(tǒng)的高溫固相法，產(chǎn)物的晶粒形成是逐步生長的，必須要有足夠的溫度和時間(為了晶體顆粒長大，這樣才會結(jié)晶完全)，因燒結(jié)嚴(yán)重，顆粒的形貌很不規(guī)則，難于獲得球形顆粒，粒子易團(tuán)聚，需要解聚，減小粒徑。使用球磨工藝，往往較大的粒塊剛好磨細(xì)，而較小的粒塊已經(jīng)磨得過細(xì)，晶格結(jié)構(gòu)受到破壞，球磨降低了熒光粉的結(jié)晶性，形貌不完整，尺寸不一粗糙度高，有棱角的顆粒，粉體堆積孔隙率高，導(dǎo)致透光率高，轉(zhuǎn)換效率降低。采用溶膠-凝膠法雖然能夠降低釔鋁石榴石粉體的燒結(jié)溫度，而且燒成的顆粒也比較均勻，但是由于該制備方法需使金屬絡(luò)合物(無機(jī)鹽或金屬醇鹽)為原料在溶液中發(fā)生水解反應(yīng)，然后將生成的凝膠用馬弗爐燒結(jié)發(fā)生反應(yīng)，所以工藝比較復(fù)雜，而且金屬醇鹽的原料價格非常昂貴，因此大規(guī)模制備受到限制。再加上YAG(釔鋁石榴石)粉體封裝白光發(fā)光二極管(LED)需要環(huán)氧樹脂或者硅膠，由于他們是有機(jī)物，所以在溫度升高時，尤其對于大功率發(fā)光二極管，很容易發(fā)生黃變現(xiàn)象，進(jìn)而降低他們的流明效率，甚至由于散熱性能差，容易發(fā)生熱猝滅現(xiàn)象。因此制備釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷成為人們爭相研究的焦點。但是傳統(tǒng)的YAG(釔鋁石榴石)發(fā)光陶瓷的燒結(jié)溫度高達(dá)1700攝氏度，條件特別苛刻，需要真空燒結(jié)或者通入還原性氣體，耗能高，成本大，對燒結(jié)設(shè)備的要求比較高。正是由于上述原因，京都大學(xué)通過1550攝氏度左右先將加入二氧化硅的釔鋁石榴石燒結(jié)成熔體，然后通過驟冷形成玻璃，由于釔鋁石榴石玻璃比較透明，起不到勻光的效果，而且玻璃本來是非晶，所以它的發(fā)光效率很低。為了使釔鋁石榴石玻璃實現(xiàn)勻光的效果，而且析出晶體，所以在1200攝氏度左右熱處理釔鋁石榴石來析出晶體，進(jìn)而制得釔鋁石榴石玻璃陶瓷。該方法制造釔鋁石榴石玻璃陶瓷溫度比較高，而且還需要熱處理析出晶體，所以比較耗能，工藝也相對復(fù)雜。再加上該工藝所制備的釔鋁石榴石玻璃陶瓷硬度大，但是柔韌性不好，所以沒能使釔鋁石榴石玻璃陶瓷直接封裝成為現(xiàn)實。因此需要制作低溫?zé)Y(jié)釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷，并作為一個整體即可封裝又不需要研磨成產(chǎn)生大量缺陷的粉體混合環(huán)氧樹脂或者硅膠來進(jìn)行封裝發(fā)光二極管。由于陶瓷的散熱性能本身就比環(huán)氧樹脂或者硅膠好的多，所以釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷封裝比釔鋁石榴石粉體封裝時的熱穩(wěn)定性能優(yōu)勢就能體現(xiàn)出來了。除此之外，釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷的折射率大于環(huán)氧樹脂或者硅膠的折射率，封裝后光導(dǎo)出效率會更好。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提出采用摻入二氧化硅對釔鋁石榴石進(jìn)行改性，從而在空氣氣氛中通過低溫?zé)Y(jié)制備釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷的方法，由于釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷比釔鋁石榴石粉體具有一系列的優(yōu)異特性，這些優(yōu)異特性包括熱穩(wěn)定性好，燒結(jié)成本低，不需要通入還原性氣體，工藝簡單，封裝不用有機(jī)物和粉體混合，不會因需要粉體研磨產(chǎn)生缺陷而降低了發(fā)光效率，所以釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷直接封裝具有劃時代的意義。本發(fā)明的技術(shù)方案—種用于白光LED的釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷體的制備方法，步驟如下1)將釔鋁石榴石和稀土摻入物的粉料混合，然后按照體積比為固體無水乙醇= 13混合；2)將得到的混合物在功率為60瓦、溫度為40攝氏度的條件下，超聲振蕩1小時， 烘箱干燥后，得到混合均勻的陶瓷粉；3)將制得的陶瓷粉用模型壓制成陶瓷坯；4)將陶瓷坯在空氣氣氛中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400攝氏度、燒結(jié)時間為5小時，隨爐冷卻后即可制得釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷。所述釔鋁石榴石的原料包括氧化釔、氧化鋁、二氧化硅和二氧化鈰，其純度均為 99. 99%，顆粒大小分別是氧化釔為50納米、氧化鋁為50納米、二氧化硅為100納米、二氧化鈰為50納米；各組分加入為量按照化學(xué)計量式0. 17Si02IY3Al5O12:Ce中的Si，Y，Al和Ce 的原子摩爾比進(jìn)行計量。所述無水乙醇與全部粉料的體積比為3 1。所述陶瓷坯的尺寸為厚度1. 2毫米、直徑為16毫米。所述釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷，應(yīng)用于白光發(fā)光二極管(LED)器件中，采用主波長為 460-470納米的氮化鎵(GaN)單一芯片與0. 17Si02:Y3Al5012:Ce發(fā)光陶瓷直接蝕刻“扣裝” 成白光發(fā)光二極管器件，并按常規(guī)半導(dǎo)體照明器件的工藝進(jìn)行封裝。本發(fā)明的機(jī)理分析加入的二氧化硅與釔鋁石榴石形成了共熔體，降低了固相法制成釔鋁石榴石的熔點；由于硅離子半徑比鋁離子半徑小，所以取代反應(yīng)較易發(fā)生。同時由于用硅-氧鍵取代鋁-氧且以共熔的方式實現(xiàn)異價取代，為了保持電中性，就會通過雜質(zhì)引入的空位而擴(kuò)散，擴(kuò)散與缺陷濃度(即此時產(chǎn)生的空位)成正比，從而反應(yīng)速率加快，所以在1400攝氏度下就可燒結(jié)出純凈釔鋁石榴石相。本發(fā)明的優(yōu)點是本方法不僅能夠在不需通還原性氣體的空氣氣氛中燒結(jié)釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷，而且工藝簡單、燒結(jié)條件溫和，只需1400攝氏度條件下將二氧化硅加入釔鋁石榴石中，即可直接燒結(jié)出以釔鋁石榴石為主相的陶瓷。因為釔鋁石榴石與摻入的二氧化硅形成了共熔體，降低了燒結(jié)溫度，所以很好的抑制了雜相，而且不需要熱處理來析出晶體相。這樣既實現(xiàn)了低能耗，又解決了工藝復(fù)雜的問題，并且該釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷的熱穩(wěn)定性好，熱傳導(dǎo)率高，光導(dǎo)出率高，硬度高和柔韌性好，使釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷直接白光 LED (發(fā)光二極管)封裝成為現(xiàn)實。

圖1是用二氧化硅改性的釔鋁石榴石純相發(fā)光陶瓷的XRD圖。圖2是釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷激發(fā)和發(fā)射光譜圖。
具體實施方式實施例按照YAG (釔鋁石榴石)發(fā)光陶瓷的化學(xué)計量比，計算出原料的物質(zhì)的量分別是純度為99. 99 %，顆粒大小為50納米的Y2O3 (氧化釔)為0. 00495摩爾，純度為999. 99 %，顆粒大小為50納米的Al2O3 (氧化鋁)為0. 008335摩爾，純度為99. 99%，顆粒大小為100納米的SiO2 (二氧化硅)為0. 0025摩爾和摻入純度為99. 99%，顆粒大小為50納米的CeO2 (二氧化鈰)為0.0001摩爾。把這些固體物料，按照體積比為固體無水乙醇=1 3混合， 將得到的混合物在功率為60瓦、溫度為40°C的條件下超聲振蕩1小時，然后將超聲振蕩均勻的原料放在設(shè)定溫度為70攝氏度的烘箱內(nèi)烘干1小時，將混合均勻的陶瓷粉用粉末壓片機(jī)中的模型壓制成厚度為1. 2毫米，直徑為16毫米的陶瓷坯，用馬弗爐將壓制好的陶丕放在坩堝里，然后在溫度為1400攝氏度的空氣氣氛中燒結(jié)5個小時，最后自然冷即可制得 YAG(釔鋁石榴石)發(fā)光陶瓷。該釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷應(yīng)用于白光發(fā)光二極管(LED)器件中，采用主波長為460-470納米的氮化鎵(GaN)單一芯片與0. 17Si02 = Y3Al5O12: Ce (將該SW2 的原子摩爾數(shù)轉(zhuǎn)化為8%的質(zhì)量分?jǐn)?shù))發(fā)光陶瓷直接蝕刻“扣裝”成白光發(fā)光二極管器件， 并按常規(guī)半導(dǎo)體照明器件的工藝進(jìn)行封裝。圖1是二氧化硅對釔鋁石榴石進(jìn)行改性的YAG(釔鋁石榴石)純相發(fā)光陶瓷XRD 圖。檢測結(jié)果表明，當(dāng)摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的SiO2(二氧化硅)時，合成了 YAG(釔鋁石榴石)純相發(fā)光陶瓷。因為從圖1可以看出YAG(釔鋁石榴石)的衍射峰與它的標(biāo)準(zhǔn)卡片符合的很好，由此可證明合成的YAG(釔鋁石榴石)發(fā)光陶瓷的相純度很高。根據(jù)如圖2所示的YAG(釔鋁石榴石)發(fā)光陶瓷的激發(fā)和發(fā)射光譜圖，檢測結(jié)果表明，它與YAG(釔鋁石榴石)粉體的光譜圖一致，證明了它可完全取代YAG(釔鋁石榴石)粉體。該光譜圖完全類似于YAG(釔鋁石榴石)粉體的激發(fā)和發(fā)射光譜圖，從這個角度來說用 YAG (釔鋁石榴石)發(fā)光陶瓷取代傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂或者硅膠封裝YAG (釔鋁石榴石)粉體進(jìn)而實現(xiàn)白光LED(發(fā)光二極管)器件是可行的。
權(quán)利要求
1.一種用于白光LED的釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷體的制備方法，其特征在于步驟如下1)將釔鋁石榴石和稀土摻入物的粉料混合，然后按照體積比為固體無水乙醇= 13混合；2)將得到的混合物在功率為60瓦、溫度為40攝氏度的條件下，超聲振蕩1小時，烘箱干燥后，得到混合均勻的陶瓷粉；3)將制得的陶瓷粉用模型壓制成陶瓷坯；4)將陶瓷坯在空氣氣氛中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400攝氏度、燒結(jié)時間為5小時，隨爐冷卻后即可制得釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于白光LED的釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷的制備方法，其特征在于 所述釔鋁石榴石的原料包括氧化釔、氧化鋁、二氧化硅和二氧化鈰，其純度均為99. 99%，顆粒大小分別是氧化釔為50納米、氧化鋁為50納米、二氧化硅為100納米、二氧化鈰為50納米；各組分加入為量按照化學(xué)計量式0. 17Si02IY3Al5O12:Ce中的Si，Y，Al和Ce的原子摩爾比進(jìn)行計量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于白光LED的釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷的制備方法，其特征在于 所述無水乙醇與全部粉料的體積比為3 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于白光LED的釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷的制備方法，其特征在于 所述陶瓷坯的尺寸為厚度1. 2毫米、直徑為16毫米。
5.一種如權(quán)利要求1所述用于白光LED的釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷的應(yīng)用，其特征在于 所述釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷，應(yīng)用于白光發(fā)光二極管(LED)器件中，采用主波長為460-470納米的氮化鎵(GaN)單一芯片與0. 17Si02IY3Al5O12:Ce發(fā)光陶瓷直接蝕刻“扣裝”成白光發(fā)光二極管器件，并按常規(guī)半導(dǎo)體照明器件的工藝進(jìn)行封裝。
全文摘要
一種用于白光LED的釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷體的制備方法，步驟為1)將釔鋁石榴石和稀土摻入物的粉料與無水乙醇混合；2)將混合物超聲振蕩、烘箱干燥后得到陶瓷粉；3)將陶瓷粉用模型壓制成陶瓷坯；4)將陶瓷坯在空氣氣氛中燒結(jié)，隨爐冷卻后即可制得釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷。本發(fā)明的優(yōu)點是只需在1400攝氏度條件下和在空氣中燒結(jié)釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷，工藝簡單、燒結(jié)條件溫和。因為釔鋁石榴石與摻入的二氧化硅形成了共熔體，降低了燒結(jié)溫度，所以很好的抑制了雜相，而且不需要熱處理來析出晶體相，因此低耗低。該釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷的熱穩(wěn)定性好、熱傳導(dǎo)率高、光導(dǎo)出率高、硬度高和柔韌性好，使釔鋁石榴石發(fā)光陶瓷直接白光LED封裝成為現(xiàn)實。
文檔編號C04B35/50GK102173771SQ20101056414
公開日2011年9月7日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者于文惠, 仇坤, 呂天帥, 徐所成, 毛智勇, 王達(dá)健, 王鵬, 田華, 蔡毅, 費沁妮, 鄭璽, 陸啟飛 申請人:天津理工大學(xué)