強散射陶瓷轉(zhuǎn)換器及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種強散射電光陶瓷轉(zhuǎn)換器材料、根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器在以分光形式 運行的光電器件中的用途，以及用于提供本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 轉(zhuǎn)換器材料用于諸如發(fā)光二極管的光電子器件。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器材料將照 射的具有第一波長的激發(fā)光（在下文中也稱為藍色激發(fā)光）至少部分地轉(zhuǎn)換為具有第二波 長的發(fā)射光。因為其有利的物理性質(zhì)，陶瓷轉(zhuǎn)換器材料被越來越多地用于此。
[0003] 大多數(shù)情況下，陶瓷轉(zhuǎn)換器材料用于具有傳輸結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器。在傳輸轉(zhuǎn)換器中，藍 色激發(fā)光入射在轉(zhuǎn)換器材料的一側(cè)上，并且從轉(zhuǎn)換器另一側(cè)出射的光被利用。
[0004] 為了用傳輸轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生白色印記，所發(fā)射的光必須與藍色激發(fā)光的一部分進行混 合。所混合的藍色激發(fā)光的比例取決于發(fā)射的轉(zhuǎn)換的光的波長和待獲得的顏色位置。
[0005] 并且，所混合的藍色激發(fā)光的部分應當具有與轉(zhuǎn)換的光類似的空間輻射行為。這 是這樣實現(xiàn)的：藍色光通過陶瓷轉(zhuǎn)換器材料散射。
[0006] 在現(xiàn)有技術(shù)中，公開了通過在陶瓷轉(zhuǎn)換器中并入第二相或通過并入孔作為散射中 心來實現(xiàn)藍色激發(fā)光的散射。
[0007] 然而，散射不必然導致在藍色激發(fā)光的顯著分光，因為藍色激發(fā)光的分光比例并 不有助于有益的光通量，因此降低了轉(zhuǎn)換器的效率。因此，轉(zhuǎn)換器材料中的孔隙率和孔尺寸 的精確控制是不可避免的。
[0008] 例如，專利申請公開US2009/0066221A1描述了一種陶瓷轉(zhuǎn)換元件，在其中，藍色 激發(fā)光在孔處被散射，并且其中轉(zhuǎn)換器的密度為至少97%。在這種情況下，孔隙率是由生坯 不完全燒結(jié)所致?？椎闹睆綖?50納米至2900納米，并且主要由所用的反應物的顆粒尺寸 決定。
[0009] W0 2011/094404描述了具有基本上球形的孔的多孔陶瓷?？椎闹睆椒秶鸀?00納 米至10微米。此處，孔隙率的控制是通過將諸如PMMA顆粒或PE顆粒的球形顆粒作為造孔 添加劑來實現(xiàn)的。在隨后的燒結(jié)期間，添加劑被燒掉。
[0010] 通常在轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換后的光最初被均勻地向所有方向發(fā)射。在傳輸結(jié)構(gòu)中只有 在傳輸方向上的光被利用。被分光的光丟失或由反射器或涂層"回收"。傳輸轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造 的替代品是操作以分光形式運行的轉(zhuǎn)換器。
[0011] 在以分光形式運行的轉(zhuǎn)換器中，藍色激發(fā)光的輸入和所發(fā)射的有用的光的離開發(fā) 生在轉(zhuǎn)換器的相同一側(cè)。因此，在這種情況下，轉(zhuǎn)換器的高度分光是有利的。
[0012] 因此，用于分光應用的陶瓷轉(zhuǎn)換材料的要求顯著不同于用于傳輸應用的轉(zhuǎn)換器材 料的要求。
[0013] 因此，現(xiàn)有技術(shù)中已知的轉(zhuǎn)換器材料不適合用于分光轉(zhuǎn)換器。
[0014] 發(fā)明目的
[0015] 因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有用于分光轉(zhuǎn)換器的最佳光學和機械性能的陶 瓷轉(zhuǎn)換器材料。此外，本發(fā)明的目的是提供了一種用于制備相應的轉(zhuǎn)換材料的方法，其允許 獲得具有定制的光學性能的陶瓷轉(zhuǎn)換器材料。
[0016] 該目的通過獨立權(quán)利要求的主題以出人意料地簡單方式得以實現(xiàn)。從屬權(quán)利要求 的主題是本發(fā)明的有利的實施方案和改進方案。
[0017] 本發(fā)明的電光陶瓷、下文中也稱為轉(zhuǎn)換器材料，適用于將具有第一波長的激發(fā)光 至少部分地轉(zhuǎn)換成具有第二波長的發(fā)射光。特別是，本發(fā)明的電光陶瓷適用于將激發(fā)光轉(zhuǎn) 換成分光的發(fā)射光。
[0018]因此，本發(fā)明的電光陶瓷是一種強散射轉(zhuǎn)換器材料，但是其同時具有很高的量子 效率。
[0019] 這是通過轉(zhuǎn)換器材料的獨特組成和形態(tài)實現(xiàn)的。
[0020] 轉(zhuǎn)換材料是一種僅具有單一電光陶瓷相的多孔電光陶瓷。陶瓷相設置為單一相或 至少基本上單一相。這里本發(fā)明意義上的術(shù)語"單一相"僅指轉(zhuǎn)換器材料的陶瓷部分，其在 本發(fā)明的含義中是指轉(zhuǎn)換器材料中存在的孔不被視為第二陶瓷相。此外，本發(fā)明意義上的 術(shù)語"單一相陶瓷相"并不排除其他陶瓷相以微小程度存在，如例如在偏差誤差范圍內(nèi)的由 處理相關(guān)的稱重偏差所引起的。例如，也可以考慮在稱量中的研磨球的磨損。
[0021] 例如由原材料的不完全轉(zhuǎn)換所引起的任何痕量的第二陶瓷相是處理相關(guān)的，而不 是有意的。
[0022] 轉(zhuǎn)換器材料的低密度是其孔隙率的結(jié)果。電光陶瓷中的孔引起強的光散射，其在 下文中僅被稱為散射。對于用于分光轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器材料，強散射是有利的。指定的密度 是幾何上確定的密度。
[0023] 這適用于其中要制備白光的應用、以及其中獲得盡可能純的光譜的顏色通道的應 用。
[0024] 對于產(chǎn)生白光，散射必須是如此之強，使得藍色激發(fā)光的一部分不被轉(zhuǎn)換器吸收， 而是被分光并與所發(fā)射的轉(zhuǎn)換光結(jié)合。
[0025] 對于在其中實現(xiàn)盡可能純的光譜的顏色通道的分光應用，例如對于投影儀，僅產(chǎn) 生轉(zhuǎn)換器材料的發(fā)射光譜是至關(guān)重要的。在這種情況下，藍色激發(fā)光可以最完全吸收提高 了轉(zhuǎn)換器的效率。因此，用于藍色光的分光的散射相對于藍色光的吸收必須不能太強。然 而，如果可能的話，該關(guān)系應當通過較強的藍色吸收而不是通過較弱的散射來進行調(diào)整，因 為強散射在該應用中也是有利的：散射對轉(zhuǎn)換器表面上的所發(fā)射的轉(zhuǎn)換光的空間分布具有 有利的影響。以這種方式，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器表面上轉(zhuǎn)換的光的量不大于或僅稍大于藍色激 發(fā)光的相應量。該光斑的定位可以通過轉(zhuǎn)換器材料的高散射實現(xiàn)并導致在整個轉(zhuǎn)換器上的 均勻的顏色印記。
[0026] 因此，轉(zhuǎn)換器材料包括組合物^85012的陶瓷相，其中A=Y、Gd、Lu和其組合以及 B=Al、Ga和其組合。
[0027] 通過電光陶瓷的組分可以選擇性地調(diào)整發(fā)射光的波長范圍。優(yōu)選地，電光陶 瓷相是一種活性￥#15012相或1^1#150 12相。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，電光陶瓷相是 (Gd，Y)3A15012相或（Y，Lu) #15012相。此外，優(yōu)選地，電光陶瓷相是Lu3(A1，Ga)5012相。
[0028] 此外，陶瓷相包含鈰作為活性元素。優(yōu)選地，電光陶瓷包含鈰作為活性元素。鈰 的含量被指定為Ce02含量與反應物的總初始重量的重量百分比，優(yōu)選范圍為0. 001-3重 量％，更優(yōu)選為0.05-0. 25重量％。這里，活性元素被化學計算為晶體系統(tǒng)的A位點。根據(jù) 本發(fā)明的特別有利的實施例，鈰的含量為〇. 003-0. 3重量％。具有這樣的鈰含量的電光陶 瓷表現(xiàn)出特別有利的散射長度和吸收長度的比值。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的改進方案，建議使用至少一種另外的活性元素。通過活性元素的類 型和濃度，可以調(diào)整散射長度與吸收長度的比值。該比例是多少藍色激發(fā)光被分光的決定 因素。因此，可以通過活性元素的類型和濃度來調(diào)整轉(zhuǎn)換器的顏色位置。優(yōu)選地，電光陶瓷 包括選自由元素鋱、鐠、釤及其組合所組成的組中的元素，作為另一活性元素。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，電光陶瓷包括釓作為第二元素A。特別是，電光陶瓷的 Gd203含量為計算為A位點的0. 5-8摩爾％、優(yōu)選1-4摩爾％，更優(yōu)選1. 5-3. 5摩爾％。釓 優(yōu)選與釔組合用作元素A。最優(yōu)選地，在釔鋁石榴石中使用釓。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，電光陶瓷包括鎵作為第二元素B。特別是，電光陶瓷的 Ga203含量為計算為B位點的0. 5-15摩爾％、優(yōu)選1-10摩爾％，更優(yōu)選1. 5-7摩爾％。優(yōu) 選地，鎵與镥組合使用作元素B。
[0032] 在一個實施例中，優(yōu)選使用25-30摩爾％的1^1含量。這對于其中要產(chǎn)生綠色光的 應用是特別有利。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，镥含量為0.5-7摩爾％。該比例對應當表現(xiàn) 出高溫度穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)換器是特別有利的。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器材料因此有利地允許通過其密度或孔隙度、電光陶瓷相的組 成和其中的活化劑的濃度和選擇來調(diào)整顏色位置，取決于各自的要求。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，散射通過上述參數(shù)調(diào)整，使得藍色激發(fā)光的一部分不 被轉(zhuǎn)換器吸收，而是被分光并與發(fā)射光結(jié)合。在分光要產(chǎn)生盡可能接近白色的顏色位置的 應用中，這是特別重要的。
[0035] 現(xiàn)有技術(shù)中，通過并入第二相實現(xiàn)散射的電光陶瓷是已知的。相比之下，根據(jù)本發(fā) 明的轉(zhuǎn)換器材料僅包括一個陶瓷相。特別是，本發(fā)明的陶瓷至少基本上不含初級顆粒。根 據(jù)一個實施例，A3B5012中游離A203和/或B203顆粒、即不與燒結(jié)的陶瓷相結(jié)合的顆粒的含量 為小于5體積％，更優(yōu)選小于2. 5體積％，最優(yōu)選小于1. 5體積％ (由SEM圖測定）。
[0036] 這是特別有利的，因為例如通過激光，本發(fā)明的陶瓷可以因此被激發(fā)具有高的功 率密度。相比之下，在包括聚集的初級顆粒形式的A1203作為第二相的陶瓷中，例如，存在以 下風險：這些顆粒升溫至其可以導致陶瓷開裂。
[0037] 根據(jù)有利的實施例，平均孔尺寸為0. 1-100微米，優(yōu)選0. 5-50微米，更優(yōu)選3-5微 米。基于SEM圖測定顆