專利名稱：一種制作白光發(fā)光二極管光源的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作白光發(fā)光二極管光源的方法，尤指一種利用半導(dǎo)體型熒光體配合發(fā)光二極管(LED)制作白光光源的方法。
背景技術(shù)：
白光是一種多顏色的混合光，可被人眼感覺為白光的至少包括二種以上波長的混合光。例如人眼同時(shí)受紅、藍(lán)、綠光的刺激時(shí)，或同時(shí)受到藍(lán)光與黃光的刺激時(shí)均可感受為白光，故依此原理可制作發(fā)白光的LED光源?，F(xiàn)有的白光LED制造方法主要有五種第一種方法是使用以磷化鋁鎵銦(AlInGaP)、氮化鎵(InGaN)與磷化鎵(GaP)為材質(zhì)的三顆LED，分別控制通過LED的電流而發(fā)出紅、綠及藍(lán)光。因這三顆晶粒是放在同一個燈泡(lamp)中，透鏡可將發(fā)出的光加以混合而產(chǎn)生白光。
第二種方法是使用InGaN與AlInGaN或GaP為材質(zhì)的二顆LED，也分別控制通過LED電流而發(fā)出藍(lán)及黃綠光以產(chǎn)生白光，目前這二種方式的發(fā)光效率可達(dá)到20lm/W。
第三種是1996年日本日亞化學(xué)公司(Nichia Chemical)發(fā)展出以氮化銦鎵藍(lán)光發(fā)光二極管配合發(fā)黃光的釔鋁石榴石型熒光粉也可成為一白光光源。該方法的發(fā)光效率目前可達(dá)20lm/W，因只需一組LED芯片即可，大幅地降低制造成本，再加上所搭配的熒光粉調(diào)制技術(shù)已臻成熟，故目前已有商品出現(xiàn)。
第四種可產(chǎn)生白光的方案是日本住友電工(Sumitomo Electric Industries，Ltd)在1991年1月研發(fā)出使用硒化鋅(ZnSe)材料的白光LED，其技術(shù)是先在ZnSe單晶基板上形成CdZnSe薄膜，通電后薄膜會發(fā)出藍(lán)光，同時(shí)部分的藍(lán)光照射在基板上而發(fā)出黃光，最后藍(lán)、黃光形成互補(bǔ)色而發(fā)出白光。由于此法也只采用單顆LED晶粒，其操作電壓僅2.7V比GaN的LED的3.5V要低，且不需要熒光物質(zhì)即可得到白光。
第五種可產(chǎn)生白光的方案是目前正在開發(fā)中的紫外光白光LED，其原理是利用紫外光LED激發(fā)三種或以上的熒光粉發(fā)出熒光，經(jīng)混色后產(chǎn)生白光。
前述第一種與第二種可產(chǎn)主白光的方案，其共同缺點(diǎn)是這些同時(shí)使用的不同光色LED其中之一如果發(fā)生故障，則將無法得到正常的白光；且因其正向偏壓各不相同，故需多組控制電路，致使成本較高，此均為實(shí)際應(yīng)用上的不利因素。
第二種與第三種可產(chǎn)生白光的方案，均是利用互補(bǔ)色原理以產(chǎn)生白光，其光譜波長分布的連續(xù)性不如真實(shí)的太陽光，使色光混和后會在可見光光譜范圍(400nm-700nm)出現(xiàn)色彩的不均勻，導(dǎo)致色彩飽合度較低；雖然人類的眼睛可以忽略這些現(xiàn)象，只會看見白色的光，但在一些精密度較高的光學(xué)檢測器的感測下，例如攝影機(jī)或相機(jī)等，其演色性在實(shí)質(zhì)上仍偏低，也即物體色彩在還原時(shí)會產(chǎn)生誤差，所以這種方式產(chǎn)生的白光光源只適合作為簡單的照明用途。
至于，第四種可產(chǎn)生白光的方案，其缺點(diǎn)是發(fā)光效率僅8lm/w，壽命也只有8000小時(shí)，在實(shí)用性的考慮上仍須更進(jìn)一步地突破。
最后，第五種產(chǎn)生白光的方案，因?yàn)楝F(xiàn)有的三波長型白光光源在制作時(shí)為提高其演色性，一般使用三種或以上熒光粉。而欲同時(shí)利用多種熒光粉體使其發(fā)出熒光，先決條件之一是所選用的激發(fā)光恰可被這些熒光粉所吸收，且各熒光體對此波長的光的吸收系數(shù)不能相差太多，連同光能轉(zhuǎn)換的量子效率也盡可能接近為佳，因此大幅限制適用的熒光材料種類，造成選用熒光材料的選材困難。且根據(jù)混色原理，使用三種或以上熒光粉，其混色方程式為二次以上非線性方程式，也即其顏色變化率為二維以上，所以在調(diào)配三原色熒光粉的比例以得到白光的技術(shù)上很困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種提出利用單一種半導(dǎo)體型熒光粉體搭配一發(fā)光二極管作為激發(fā)光源的白光發(fā)光二極管的制作方法，能夠降低制作的難度，并具有高亮度與高演色性。
如前所述，白光可以紅、綠與藍(lán)等三原色光組成，然依光學(xué)混色原理，人類視神經(jīng)若同時(shí)受二種光色刺激時(shí)也可產(chǎn)生白光的視覺，此時(shí)該二種光色則稱為互補(bǔ)色的關(guān)系。例如波長為400-410nm的藍(lán)紫光可與波長為570-580nm的黃綠光混合而形成白光。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種利用半導(dǎo)體型熒光體搭配一激發(fā)光源制作白光光源的方法，該一半導(dǎo)體型熒光體以硫化(鋅、鎘)[(Zn、Cd)S]為主要成分，并利用一種或以上的異離子摻雜于結(jié)構(gòu)中，作為可受外部激發(fā)源激發(fā)而發(fā)出熒光的發(fā)光中心，其中該激發(fā)源的波長范圍可從495nm的藍(lán)綠光至340nm的紫外光。
本發(fā)明的有益效果是，僅使用單一熒光體搭配單一發(fā)光二極管即可發(fā)出白光，故本發(fā)明的白光發(fā)光二極管制作方法簡易且成本低廉，優(yōu)于現(xiàn)有的三波長型白光光源；本發(fā)明所使用的半導(dǎo)體型熒光材料其激發(fā)過程所需的能量大部分由能帶間隙大小所決定，故添加不同種類的異離子作為發(fā)光中心時(shí)，可受同一波長的光所激發(fā)且發(fā)出不同光色的熒光。也即單一熒光粉可發(fā)出復(fù)色光，無現(xiàn)有方法需要所有熒光體使用同一激發(fā)波長的限制，而可取得較廣的應(yīng)用范圍；本發(fā)明所使用的半導(dǎo)體型熒光材料，因可在同一主體結(jié)構(gòu)中添加多種異離子發(fā)光中心，還可形成多種光色混合形成白光的結(jié)果，其光譜特性的實(shí)質(zhì)功能幾乎等同甚至優(yōu)于現(xiàn)有的三波長型白光光源；同時(shí)本發(fā)明的半導(dǎo)體型硫化(鋅、鎘)熒光粉體，可利用發(fā)光波長為495nm的藍(lán)綠光至340nm的紫外光發(fā)光二極管所激發(fā)，適用范圍廣泛，且具高發(fā)光效率。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1A是半導(dǎo)體型摻雜銀與氯離子于硫化(鋅、鎘)[(Zn、Cd)S]熒光體的X光粉末繞射圖譜；圖1B是半導(dǎo)體型摻雜銀與氯離子于硫化鋅的標(biāo)準(zhǔn)X光粉末繞射圖譜；圖2A是半導(dǎo)體型摻雜銀與氯離子于硫化(鋅、鎘)[(Zn、Cd)S]熒光體的光激發(fā)光譜圖；圖2B是半導(dǎo)體型摻雜銀與氯離子于硫化(鋅、鎘)熒光體的紫外光激發(fā)光譜圖；圖3是利用(Zn、Cd)SAg+，Cl-熒光粉與環(huán)氧樹脂以不同比例混合后，以主波長為405nm的藍(lán)紫光發(fā)光二極管搭配封裝成白光光源所測得的光譜變化圖；圖4是將圖3中各光譜標(biāo)于CIE色度坐標(biāo)圖所得的光色變化圖；圖5是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)樣品色坐標(biāo)圖；圖6是樣品為405nm Dice+ZnS-Cd的激發(fā)光譜圖；圖7是樣品為405nm Dice+ZnS-Cd的激發(fā)光譜圖；圖8是樣品為405nm Dice+ZnS-Cd+BAM的激發(fā)光譜圖；圖9是樣品為405nm Dice+YAG-BAM的激發(fā)光譜圖；圖10是樣品為405nm Dice+YAG的激發(fā)光譜圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是關(guān)于利用半導(dǎo)體型熒光體配合發(fā)光二極管制作白光光源的方法。本發(fā)明所指的半導(dǎo)體型熒光體，其主要成分為硫化(鋅、鎘)[(Zn、Cd)S]，利用一種或以上的異離子(即不同于鋅或鎘及硫離子的其它種離子，例如銀離子、銅離子或氯離子等)摻雜于結(jié)構(gòu)中作為可受外部光源激發(fā)而發(fā)出熒光的發(fā)光中心。本發(fā)明所指的外部光源可利用發(fā)出適當(dāng)波長的發(fā)光二極管所產(chǎn)生，其波長范圍可從495nm的藍(lán)綠光至340nm的紫外光，也可由電子束或電漿產(chǎn)生經(jīng)適當(dāng)調(diào)配半導(dǎo)體型熒光體與封裝材料的混合比例進(jìn)行封裝后，施以極低的電流即可獲得一發(fā)光特性佳的白光發(fā)光二極管。
前述的熒光粉體的主要化學(xué)成分為硫化(鋅、鎘)[(Zn、Cd)S]，此化合物可形成二種晶體結(jié)構(gòu)，一為低溫下形成正方晶系相(cubic)的閃鋅礦結(jié)構(gòu)(zincblende)；另一為在高溫下形成六方晶系相(hexagonal)的烏采結(jié)構(gòu)(wnrtzite)。一般而言，后者的發(fā)光效率較前者高，是制備此類熒光體時(shí)需經(jīng)高溫鍛燒的原因。由于硫化(鋅、鎘)屬固態(tài)晶體材料，故其能量狀態(tài)與物理特性均基于電子能階所組成的價(jià)帶與傳導(dǎo)帶以及此二帶間的能隙大小而呈現(xiàn)。由能帶理論可得出，硫化(鋅、鎘)在長波長紫外光(波長＞350nm)至可見光的范圍而言，其本身并非發(fā)光材料。然若在此母體材料中添加少量異離子，例如銀離子或銅離子，則可接受母體材料經(jīng)外界吸收的光能產(chǎn)生激發(fā)狀態(tài)，隨后再以熒光的形式釋放出能量。然而若添加的陽離子(如銀離子，其為正一價(jià)Ag+)的價(jià)數(shù)與鋅或鎘的正二價(jià)不同時(shí)，則須再加入適量的陰離子(如氯離子，其為負(fù)一價(jià)Cl-)以平衡電荷。此時(shí)所添加的陽離子稱為活化劑(activator)，而用以平衡電荷的陰離子則稱為共活化劑(co-activator)，二者共同組成發(fā)光中心，借助類似半導(dǎo)體的電子轉(zhuǎn)移接受機(jī)制完成發(fā)光作用。
本發(fā)明還可利用摻雜異離子于硫化(鋅、鎘)的半導(dǎo)體型材料中形成具熒光性的粉體，再配合一與其熒光光色為互補(bǔ)色的發(fā)光二極管作為激發(fā)光源制作白光發(fā)光二極管的方法。此外因可同時(shí)添加多種異離子于硫化(鋅、鎘)結(jié)構(gòu)中，故可制作同時(shí)發(fā)出多種熒光光色的粉體。且此類半導(dǎo)體化合物所發(fā)出的光譜大多為寬帶結(jié)構(gòu)，若再由數(shù)個譜帶組成的白光光譜，其演色性將高于現(xiàn)有的三波長型白光光譜，這是因?yàn)闃?gòu)成后者的單光譜帶大多比前者窄。
關(guān)于本發(fā)明白光光源的制作方法，包括所選擇的熒光粉與其調(diào)配及封裝的技術(shù)，以下為其具體實(shí)施的說明1.合成具半導(dǎo)體型的硫化(鋅、鎘)是熒光粉，如(Zn、Cd)SAg+，Cl-配方。其合成方法可利用化學(xué)合成法、固體一氣態(tài)燒結(jié)法、直接反應(yīng)法與有機(jī)金屬熱分解法等。
2.利用X光粉末繞射儀鑒定其晶相的純度，如圖1A所示。由此圖可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)與圖1B的標(biāo)準(zhǔn)硫化鋅化合物(JCPDS no79-2204)比較，可知本發(fā)明所用的硫化(鋅、鎘)熒光體為單一相的具六方晶系的烏采結(jié)構(gòu)(wurtzite)粉體。
3.以波長554nm為檢測處測得(Zn、Cd)SAg+，Cl-熒光粉的激發(fā)光譜，如圖2A所示。由該光譜可知此熒光體可以495nm的藍(lán)綠光至340nm的紫外光作為激發(fā)光源。
4.以紫外光為激發(fā)源測量(Zn、Cd)SAg+，Cl-熒光粉的發(fā)射光譜，如圖2B所示，由光譜可知，經(jīng)由紫外光激發(fā)的摻雜銀與氯離子的硫化(鋅、鎘)型熒光體可產(chǎn)生黃綠色熒光。將此發(fā)射光譜的數(shù)據(jù)以1931年由國際照明委員會(commission intemationale del’Eclairage，CIE)所制定的色度坐標(biāo)圖(chromaticity diagram)的公式換算成此熒光體所代表的色度坐標(biāo)，并以A點(diǎn)標(biāo)記于圖4。
5.將上述硫化(鋅、鎘)[(Zn、Cd)S]熒光粉與封裝材料如環(huán)氧樹脂以不同重量比混合(如硫化(鋅、鎘)/環(huán)氧樹脂為0、0.1、0.14、0.18與0.22)再搭配主波長為405nm的藍(lán)紫光發(fā)光二極管作為激發(fā)光源并進(jìn)行封裝，再分別測量其光譜。由圖3可明顯發(fā)現(xiàn)，光譜1至5依序?yàn)橐驘晒怏w的比例逐漸減少，造成光譜結(jié)構(gòu)中黃光所占比例逐漸降低的結(jié)果。
6.在圖4所示的色度坐標(biāo)圖中以虛線畫出A、B(硫化(鋅、鎘)與環(huán)氧樹脂之比為0，即沒有熒光粉)二點(diǎn)間的聯(lián)線，發(fā)現(xiàn)此色光混合理論聯(lián)線可通過色度坐標(biāo)圖中的白色區(qū)域。此外，在步驟5中以不同比例混合熒光粉所得光譜的光色變化也符合沿著A、B二點(diǎn)間的色光混合理論聯(lián)線。
綜上所述，與現(xiàn)有的白光發(fā)光二極管需使用多種熒光材料的制作方法相較，本發(fā)明的方法具有下列幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明僅使用單一熒光體搭配單一發(fā)光二極管即可發(fā)出白光，故本發(fā)明的白光發(fā)光二極管制作方法簡易且成本低廉，優(yōu)于現(xiàn)有的三波長型白光光源。
2、本發(fā)明所使用的半導(dǎo)體型熒光材料其激發(fā)過程所需的能量大部分由能帶間隙大小所決定，故添加不同種類的異離子作為發(fā)光中心時(shí)，可受同一波長的光所激發(fā)且發(fā)出不同光色的熒光。也即單一熒光粉可發(fā)出復(fù)色光，無現(xiàn)有方法需要所有熒光體使用同一激發(fā)波長的限制，而可取得較廣的應(yīng)用范圍。
3、本發(fā)明所使用的半導(dǎo)體型熒光材料，因可在同一主體結(jié)構(gòu)中添加多種異離子發(fā)光中心，還可形成多種光色混合形成白光的結(jié)果，其光譜特性的實(shí)質(zhì)功能幾乎等同甚至優(yōu)于現(xiàn)有的三波長型白光光源。
4、本發(fā)明的半導(dǎo)體型硫化(鋅、鎘)熒光粉體，可利用發(fā)光波長為495nm的藍(lán)綠光至340nm的紫外光發(fā)光二極管所激發(fā)，適用范圍廣泛，且具高發(fā)光效率。
以下是將ZnS-Cd熒光粉制作白光發(fā)光二極管的實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)說明1.該實(shí)驗(yàn)樣品是以5mm標(biāo)準(zhǔn)燈(Standard Lamp)封裝技術(shù)，分別使用ZnS-Cd/BAM/YAG熒光粉搭配405nm/450nm藍(lán)光芯片制作成白光發(fā)光二極管。
2.實(shí)驗(yàn)樣品共計(jì)五種組合如下表所示，實(shí)驗(yàn)組為1、2、3，對照組為4、5，顏色調(diào)整以(0.30、0.31)為中心。

二、測試資料見附圖5，是實(shí)驗(yàn)樣品色坐標(biāo)圖。
圖6、圖7、圖8、圖9和圖10是實(shí)驗(yàn)樣品的激發(fā)光譜圖。
三、資料分析1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品色坐標(biāo)圖，3種實(shí)驗(yàn)組樣品皆可調(diào)出白光，比較下，ZnS-Cd搭配405nm藍(lán)光芯片最接近目標(biāo)點(diǎn)(0.30、0.31)，其次為ZnS-Cd搭配450nm藍(lán)光芯片，最后為ZnS-Cd+BAM搭配450nm藍(lán)光芯片。
2.根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，ZnS-Cd搭配495-450nm藍(lán)紫光芯片可制作出白光。
以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，本發(fā)明的特征并不局限于此，任何以發(fā)光二極管作為激發(fā)光源，并適當(dāng)調(diào)配一種或以上的半導(dǎo)體型摻雜異離子的硫化鋅系熒光粉，為了達(dá)到可展現(xiàn)高色彩均勻度、高亮度等優(yōu)良白光發(fā)光特性的目的，制造一白光發(fā)光二極管所實(shí)施的等效變化均包含在本發(fā)明的具體實(shí)施例中。
權(quán)利要求
1.一種制作白光發(fā)光二極管光源的方法，利用半導(dǎo)體型熒光體配合一激發(fā)源制作白光光源，其特征在于，半導(dǎo)體型熒光體是以硫化(鋅、鎘)[(Zn、Cd)S]為主成分，將一種或以上的異離子摻雜于結(jié)構(gòu)中作為可受外部光源激發(fā)而發(fā)出熒光的發(fā)光中心；激發(fā)源的波長范圍由495nm的藍(lán)綠光至340nm的紫外光。
2.如權(quán)利要求1所述的一種制作白光發(fā)光二極管光源的方法，其特征在于，所述的半導(dǎo)體型硫化(鋅、鎘)熒光體中所摻雜的異離子為銀離子、銅離子或氯離子。
3.如權(quán)利要求1所述的一種制作白光發(fā)光二極管光源的方法，其特征在于，所述的半導(dǎo)體型硫化(鋅、鎘)熒光體中所摻雜的異離子為銀離子搭配氯離子。
4.如權(quán)利要求1所述的一種制作白光發(fā)光二極管光源的方法，其特征在于，所述的熒光體激發(fā)源是發(fā)光二極管。
5.如權(quán)利要求1所述的一種制作白光發(fā)光二極管光源的方法，其特征在于，所述的熒光體激發(fā)源可由電子束或電漿產(chǎn)生。
6.如權(quán)利要求1所述的一種制作白光發(fā)光二極管光源的方法，其特征在于，所述的熒光體可利用化學(xué)合成法、固體一氣態(tài)燒結(jié)法、直接反應(yīng)法與有機(jī)金屬熱分解法制得。
7.如權(quán)利要求1所述的一種制作白光發(fā)光二極管光源的方法，其特征在于，所述的半導(dǎo)體型硫化(鋅、鎘)熒光體可與封裝材料依不同比例混合或組合，配合可發(fā)出紫外光作為激發(fā)光源，經(jīng)封裝后施以電流，獲得一白光發(fā)光組件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制作白光發(fā)光二極管光源的方法，利用半導(dǎo)體型熒光體配合發(fā)光二極管制作白光光源，該半導(dǎo)體型熒光體的主要成分為硫化(鋅、鎘)[(Zn、Cd)S]，利用一種或以上的異離子摻雜于結(jié)構(gòu)中作為可受外部光源激發(fā)而發(fā)出熒光的發(fā)光中心；本發(fā)明所指的外部光源可利用發(fā)出適當(dāng)波長的發(fā)光二極管所產(chǎn)生，其波長范圍可從495nm的藍(lán)綠光至340nm的紫外光；經(jīng)適當(dāng)調(diào)配半導(dǎo)體型熒光體與封裝材料的混合比例進(jìn)行封裝后，施以極低的電流即可獲得一發(fā)光特性佳的白光發(fā)光二極管；本發(fā)明的半導(dǎo)體型熒光體可調(diào)整其化學(xué)組成，使其可受發(fā)光二極管的激發(fā)而產(chǎn)生一種或多種顏色的熒光，再經(jīng)光色混合形成白光，即可利用單一粉體制作高亮度與高演色性的白光發(fā)光二極管。
文檔編號C09K11/58GK1485931SQ0214407
公開日2004年3月31日 申請日期2002年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月29日
發(fā)明者劉如熹, 蘇宏元, 王健源, 紀(jì)喨勝 申請人:光寶科技股份有限公司