專利名稱：含有alpha-SiAlON的螢光材料及制造方法、設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于螢光材料,尤指alpha-SiAION的螢光材料、其制造裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
在節(jié)能與環(huán)保的訴求下，開發(fā)高效率、省能源并符合環(huán)保需求的“綠色”照明光源，在目前國(guó)內(nèi)外都是迫切且重要的研究課題。一般認(rèn)為白光LED將成為未來(lái)取代傳統(tǒng)照明燈具的重要技術(shù)，與白熾燈泡及日光燈相比，LED高發(fā)光效率(發(fā)光效率每瓦一百流明(1001m/W)、潛在技術(shù)目標(biāo)2001m/W)、發(fā)熱量低(熱輻射少)、低耗電量(低電壓、低啟動(dòng)電 流)、設(shè)計(jì)彈性佳(體積小、光色/色溫可調(diào)變、指向光源、易開發(fā)成輕薄短小的產(chǎn)品)、可靠性佳(壽命長(zhǎng)、低溫啟動(dòng)、耐震)、反應(yīng)速度快(可高頻操作)、環(huán)保(無(wú)汞、廢棄物處理成本低、不易破)、可平面封裝等優(yōu)點(diǎn)。目前氧化物螢光粉與硫化物螢光粉專利已趨近飽和且有專利技術(shù)被壟斷的問題，此外，目前商業(yè)應(yīng)用的螢光粉，如 YAG:Ce3+(Y3Al5O12 = Ce3+, YttriumAluminum Garnet)；TAG:Ce3+(Tb3Al3O12:Ce3+, Terbium Aluminum Garnet)等，尚存在著發(fā)光效率待提升且缺乏熱穩(wěn)定性，而硫化物螢光粉則有具毒性、且化學(xué)與熱穩(wěn)定性差的問題。由于現(xiàn)今白光LED趨向于高功率，伴隨著操作溫度增加，而氧化物及硫化物是螢光粉熱穩(wěn)定性不佳，造成螢光發(fā)光顏色改變，使得LED有色偏等問題產(chǎn)生。相較之下，氮氧化物a-SiAlON螢光材料具有無(wú)毒性、化學(xué)安定、熱穩(wěn)定性極佳、高能源效率，高發(fā)光強(qiáng)度及化學(xué)組成與發(fā)光波長(zhǎng)具可調(diào)變性等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被視為極具應(yīng)用潛力的LED螢光材料。然而目前a -SiAlON系列螢光材料的合成皆需在嚴(yán)苛的條件(如高溫、高壓、長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng))下進(jìn)行，生產(chǎn)不易、產(chǎn)量小、設(shè)備及原物料成本高而價(jià)格昂貴，以致Q-SiAlON系列螢光材料的應(yīng)用進(jìn)展受限。以下僅例示多種現(xiàn)有技術(shù)說(shuō)明其缺失。首先是固態(tài)反應(yīng)法(Solid state method)。這是一種合成氮氧化物及氮化物常見的方法，通常是將反應(yīng)的前驅(qū)物置于高溫下，若是合成硅基的氮氧化物或氮化物螢光粉，反應(yīng)物主要使用Si3N4,由于Si3N4化學(xué)反應(yīng)性較差，因此合成時(shí)需要很高的溫度約1500 2000°C，而其他的反應(yīng)物可包括金屬元素(如Ca，Sr，Ba, Eu)、金屬的氮化物(如A1N，Ca3N2, EuN)或金屬的氧化物(如=Al2O3, CaCO3, SiO2)，將這些原料均勻混合后，并以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛以防止反應(yīng)物在高溫下氧化或裂解，壓力通常介于0. I l.OMPa，反應(yīng)時(shí)間需數(shù)小時(shí)，且產(chǎn)物通常需經(jīng)過后續(xù)研磨等步驟，且部分文獻(xiàn)指出反應(yīng)物須冷均壓，將反應(yīng)物壓錠，或是使用熱壓燒結(jié)的設(shè)備進(jìn)行反應(yīng)。再者，此法須在高溫下長(zhǎng)時(shí)間煅燒，使得粉體易產(chǎn)生大量的聚集或燒結(jié)等現(xiàn)象，使產(chǎn)物粒徑較大，若藉由研磨過程會(huì)使得粉體產(chǎn)生晶體缺陷，而降低發(fā)光效率，粉體粒徑也無(wú)法有效控制，另外設(shè)備造價(jià)昂貴(如冷均壓設(shè)備與熱壓燒結(jié)爐等)，使用的氮化物原料成本昂貴等缺點(diǎn)。其次是氣壓燒結(jié)法(Gas-pressing sintering,GPS)。其與固態(tài)反應(yīng)法非常相似，也是使用金屬的氮化物等作為反應(yīng)物，不同之處在于使用的氣壓壓力較高，介于I IOMPa與較高的反應(yīng)操作溫度約為1800 2200°C，且不須使用熱壓燒結(jié)，是利用高的氮?dú)鈮毫Γ宕颂岣叻磻?yīng)物與氮?dú)饨佑|的機(jī)會(huì)，所獲得的產(chǎn)物亦需經(jīng)過后續(xù)研磨等步驟。此方法與固態(tài)反應(yīng)法相比的優(yōu)點(diǎn)在于，可減少助熔劑的用量、減少反應(yīng)時(shí)間，由于氮化物或氮氧化物的燒結(jié)雖可在高溫及常壓的氮?dú)庀逻M(jìn)行(如固態(tài)反應(yīng)法)，但因?qū)俟矁r(jià)鍵結(jié)，原子移動(dòng)力較低，所以在常壓下燒結(jié)時(shí)需添加較多的助熔劑，造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差，若提高氮?dú)鈮毫?，則可在較短時(shí)間內(nèi)獲得均勻熔聚的螢光粉體，另外由于反應(yīng)溫度若高于1800°C以上a-Si3N4或a -SiAlON易分解而產(chǎn)生Si，因此提高壓力可以降低反應(yīng)物及產(chǎn)物被升華或裂解等現(xiàn)象發(fā)生，但此法使用的壓力及溫度非常高，造成設(shè)備的建造成本提升，以及安全上的顧慮，因此較不適合于工業(yè)大量生產(chǎn)，另外產(chǎn)物需經(jīng)過復(fù)雜的研磨步驟，使得螢光粉體產(chǎn)生大量缺陷，降低螢光效率，且所使用的氮化物原料成本昂貴等缺點(diǎn)。另一種方法是氣體還原氮化法(Gas-reductionand nitridation method,GRN)。此合成氮氧化物螢光粉體的方法與前兩者相較而言是較有效且較經(jīng)濟(jì)的方法，通常使用氧化物作為反應(yīng)前驅(qū)物，只需將反應(yīng)物放于氧化鋁或石英管中并通入NH3或NH3-CH4等氣體當(dāng)成還原劑及氮?dú)鈦?lái)源，反應(yīng)溫度約在1300 1600°C，在高溫下NH3或NH3-CH4等氣體會(huì)分解產(chǎn)生H2及N2氣體，使得氧化物被還原成氮化物。此方法與之前兩種方法相比較，其優(yōu)點(diǎn)是 可在較低的反應(yīng)溫度下合成a -SiAlON的螢光粉體，約可降低200°C左右，另外反應(yīng)通常在常壓下進(jìn)行且反應(yīng)物通常為氧化物，因此不需造價(jià)昂貴的設(shè)備及反應(yīng)物上較固態(tài)反應(yīng)法及氣壓燒結(jié)法便宜，且通入的還原氣氛可解決使用熱碳還原法碳?xì)埓娴膯栴}，粒徑較固態(tài)反應(yīng)法等小，不須研磨的步驟，但缺點(diǎn)為此反應(yīng)在高溫下使用爆炸性氣體NH3-CH4等，且反應(yīng)無(wú)法大量生產(chǎn)，極具危險(xiǎn)性且仍須長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)，而有耗時(shí)與耗能源等缺點(diǎn)。還有一種是熱碳還原法(Carbothermal reduction method,CRN)。此方法與氣體還原氮化法類似，不同之處是使用碳粉來(lái)作為還原劑，以及氮?dú)庾鳛榈?，亦使用氧化物作為前?qū)物，與碳粉混合后即可放入高溫及氮?dú)鈿夥障路磻?yīng)，此反應(yīng)是藉高溫中碳易與氧反應(yīng)生成CO等氣體，且氮?dú)膺M(jìn)入氧的空缺中反應(yīng)形成氮化物。此法的優(yōu)點(diǎn)如同氣體還原氮化法，設(shè)備與反應(yīng)物較為便宜，反應(yīng)溫度及壓力較低，缺點(diǎn)為反應(yīng)需準(zhǔn)確控制碳含量，過量碳將在高溫時(shí)生成SiC，且未完全反應(yīng)的碳含量會(huì)大大降低其光學(xué)性質(zhì)，嚴(yán)重影響螢光強(qiáng)度，若欲達(dá)到較強(qiáng)的螢光強(qiáng)度，則須除碳的步驟，必須放在空氣或不含碳的氣氛下高溫?zé)崽幚?，因此增加制程的?fù)雜性，且高溫?zé)崽幚砜赡茉斐删ЯＷ兇蟮扔绊?。還有一種是水熱法(Hydrothermal method)。此方法較不常見于合成氮氧化物螢光粉，但常見于合成氧化物的螢光粉上，所使用的反應(yīng)物通常為硝酸化合物，并且溶于溶劑中，必要時(shí)會(huì)使用NaOH等調(diào)控溶液的pH值，反應(yīng)先在低溫下攪拌(約200°C左右)，隨后反應(yīng)物會(huì)有析出物產(chǎn)生，將此析出物(即前驅(qū)物)水洗、離心、過濾及干燥，再放入氮?dú)鈿夥崭邷貭t內(nèi)鍛燒，并通入氫氣作為還原氣氛。此方法的優(yōu)點(diǎn)為反應(yīng)物經(jīng)由溶解與析出的步驟而混合的較為均勻，鍛燒溫度可在約1000°C左右完成，因此較省能源，缺點(diǎn)為反應(yīng)步驟繁復(fù)，且有時(shí)須使用氫氣還原，使得此方法有安全上的顧慮，且有合成的產(chǎn)物晶相較弱，螢光發(fā)光效率低等缺點(diǎn)，尚有待改善。一般的燃燒合成法(Combustion synthesis)。此即為一般合成a-SiAlON陶瓷材料所使用的燃燒合成法，反應(yīng)物是利用金屬、金屬氧化物、金屬氮化物等，再混合均勻后放入反應(yīng)器內(nèi)，將氮?dú)鈿鈮撼渲?. O 8. OMPa的極度高壓下，并引燃其反應(yīng)物。該方法具有下列優(yōu)點(diǎn)制程步驟簡(jiǎn)單、耗費(fèi)能源少且設(shè)備簡(jiǎn)易、可大量生產(chǎn)，成本低廉。但為使轉(zhuǎn)化率提升而必須在非常高壓下進(jìn)行反應(yīng)，使得合成上有安全的顧慮，較不適于工業(yè)上的應(yīng)用，若反應(yīng)壓力較低時(shí)，控制不當(dāng)可能造成產(chǎn)物熔聚或是無(wú)法引燃等現(xiàn)象，使得轉(zhuǎn)化率偏低且須復(fù)雜的研磨步驟，又由于且反應(yīng)過程中涉及快速地升溫及降溫，因此產(chǎn)物(若為粉體時(shí))可能含有高濃度的結(jié)晶缺陷，使得螢光粉體的螢光強(qiáng)度較差。于是，申請(qǐng)人鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺失，并基于對(duì)上述科技與產(chǎn)業(yè)問題與需求的了解而發(fā)明出本案“ a-SiAlON螢光材料及其制造方法與制造裝置”，本發(fā)明的a-SiAlON螢光材料是一種以SiAlON為主體晶格的氮氧化物螢光材料，具有高發(fā)光強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性佳、制程簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低及產(chǎn)物具有高純度等特性，用以改善上述現(xiàn)有技術(shù)手段的缺失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有高發(fā)光強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性佳的alpha-SiAION螢光 材料，并同時(shí)為此材料提供一種具有制程簡(jiǎn)單、容易生產(chǎn)、生產(chǎn)成本低廉的制造方法，且還同時(shí)為此材料提供一種制造設(shè)備，以協(xié)助上述的制造方法來(lái)生產(chǎn)出上述的螢光材料。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種含有alpha-SiAION的螢光材料的制造方法，包括下列步驟提供一塊狀物；將一引燃劑與該塊狀物混合而成為一反應(yīng)物；以及加熱該引燃劑使其燃燒，并引發(fā)該反應(yīng)物進(jìn)行氮化反應(yīng)，進(jìn)而制得所述含有alpha-SiAION的螢光材料。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種螢光材料，包括alpha-SiAION，其化學(xué)通式是Mx (Si，Al) 12 (O, N) 16:Ay，其中M為陽(yáng)離子元素，X是M的莫耳數(shù)，而A是活化劑離子元素，而y是A的莫耳數(shù)，且該螢光材料還含有選自鈉、氯、以及鐵元素中的至少一種的元素。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種alpha-SiAION螢光材料的制造設(shè)備，包括一絕熱裝置，用以容納一用來(lái)制造螢光材料的原料；以及一加熱器，鄰近于該絕熱裝置，該加熱器用于加熱所述用來(lái)制造螢光材料的原料。


圖I為本發(fā)明a -SiAlON螢光材料的制造裝置的應(yīng)用示意圖；圖2為本發(fā)明塊狀物與反應(yīng)物的制備的示意圖；圖3為本發(fā)明的絕熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明反應(yīng)物置于絕熱裝置內(nèi)的示意圖；圖5為本發(fā)明a -SiAlON螢光材料的成分分析圖。
具體實(shí)施例方式以下針對(duì)本案的a -SiAlON螢光材料及其制造方法與制造設(shè)備的各實(shí)施例進(jìn)行描述，請(qǐng)參考附圖，但實(shí)際的配置及所采行的方法、制造設(shè)備、或各原料的比例并不必須完全符合所描述的內(nèi)容，熟習(xí)本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)能在不脫離本案的實(shí)際精神及范圍的情況下，做出種種變化及修改。本發(fā)明是各發(fā)明人過去在氮化物陶瓷粉體(主要為AlN與Si3N4)的合成方法開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，以及在燃燒合成方面的技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)有方法合成氮氧化物螢光粉體的種種問題與缺點(diǎn)，經(jīng)過研究、改良與創(chuàng)新，克服這些問題與缺點(diǎn)而發(fā)明一種新的氮氧化物螢光材料a -SiAlON的合成方法。此方法是利用反應(yīng)物間的高溫自行傳播燃燒反應(yīng)來(lái)進(jìn)行合成，具有反應(yīng)快、省能源、制程簡(jiǎn)易、合成壓力低、設(shè)備簡(jiǎn)單、原料易得價(jià)低及產(chǎn)物質(zhì)佳的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所合成的SiAlON螢光粉化學(xué)通式為Mx(Si，Al) 12 (O, N) 16:Ay,主要是以氮化硅為主體晶格，氮化硅部分的硅氮鍵被鋁氧鍵及鋁氮鍵所取代，并利用陽(yáng)離子元素(M)平衡主體晶格電荷，與摻雜活化劑離子，其中M為陽(yáng)離子元素、Si為娃元素、Al為招元素、O為氧元素、N為氮元素及A為活化劑離子元素。還有，X是M的莫耳數(shù)，而7是々的莫耳數(shù)。首先，先針對(duì)本發(fā)明的設(shè)備與一部份的制程作一概括性的描述。其中，主體晶格陽(yáng)離子(M)源內(nèi)的金屬可選自Mg、Ca、或Y。且活化劑離子(A)源則是選自Eu、Ce、Tb或稀土元素。當(dāng)然，陽(yáng)離子元素(M)，亦可以其他的元素或化合物取代，請(qǐng)參考下表
權(quán)利要求
1.一種含有alpha-SiAlON的螢光材料的制造方法，包括下列步驟 提供一塊狀物； 將一引燃劑與該塊狀物混合而成為一反應(yīng)物；以及 加熱該引燃劑使其燃燒，并引發(fā)該反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而制得所述含有alpha-SiAlON的螢光材料。
2.如權(quán)利要求I所述的制造方法，還包括 將該反應(yīng)物放置在一絕熱裝置內(nèi)；以及 在反應(yīng)物與該絕熱裝置間，填充隔絕粉體。
3.如權(quán)利要求I所述的制造方法，其中該引燃劑是包覆著該塊狀物，其中該塊狀物的數(shù)目為一個(gè)或多個(gè)。
4.如權(quán)利要求I所述的制造方法，其中該引燃劑是從Ti/C混合物、Mg/Fe304混合物、AVFe3O4混合物、AVFe2O3混合物中選擇一種,或是選擇兩種的組合、或是選擇三種的組合、或是選擇全部的組合，其中若選擇鎂與四氧化三鐵的組合，則兩者的莫耳比值為一至八。
5.如權(quán)利要求I所述的制造方法，其中 該塊狀物內(nèi)還含有一固態(tài)氮源，且是自NaN3、KN3、Ba3N2中選擇一種，或是包含其中兩種的組合，或是包含全部的組合；或該塊狀物內(nèi)還含有一鹵化銨源。
6.如權(quán)利要求I所述的制造方法，其中 該方法還包括一步驟，將該反應(yīng)物放置在一殼體內(nèi)；或 該塊狀物為復(fù)數(shù)個(gè)，且均與該引燃劑混合，而加熱時(shí)是先后加熱該復(fù)數(shù)個(gè)塊狀物。
7.一種螢光材料，包括alpha-SiAlON，其化學(xué)通式是Mx (Si，Al) 12 (0，N) 16: Ay，其中M為陽(yáng)離子元素，X是M的莫耳數(shù)，而A是活化劑離子元素，而y是A的莫耳數(shù)，且該螢光材料還含有選自鈉、氯、以及鐵元素中的至少一種的元素。
8.如權(quán)利要求7所述的螢光材料，還含有氯化鈉。
9.如權(quán)利要求7所述的螢光材料，其中 主體晶格陽(yáng)離子(M)源內(nèi)的金屬是自Mg、Ca、與Y中擇一；或 活化劑離子(A)源則是自Eu、Ce、Tb或稀土元素中擇一。
10.一種alpha-SiAlON螢光材料的制造設(shè)備，包括 一絕熱裝置，用以容納一用來(lái)制造螢光材料的原料；以及 一加熱器，鄰近于該絕熱裝置，該加熱器用于加熱所述用來(lái)制造螢光材料的原料。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中 該絕熱裝置與該加熱器是設(shè)置在一殼體內(nèi)；或 該設(shè)備還包括一粉體，設(shè)置在該絕熱裝置與所述用來(lái)制造螢光材料的原料之間。
全文摘要
一種含有alpha-SiAlON的螢光材料的制造方法，包括下列步驟提供一塊狀物；將一引燃劑與該塊狀物混合而成為一反應(yīng)物；以及加熱該引燃劑使其燃燒，并引發(fā)該反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而制得所述含有alpha-SiAlON的螢光材料。
文檔編號(hào)C09K11/64GK102757783SQ20111011385
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者劉彥群, 張豐勝, 鐘賢龍, 陳煥煜, 黃姝綺 申請(qǐng)人:鐘賢龍