[发明专利]一种宽频梯度LED荧光薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及LED固态照明系统及其应用，特别是宽频梯度LED荧光薄膜的设计及其制备方法。

背景技术

自1962年通用电气公司的尼克·何伦亚克（Nick Holonyak Jr.）开发出第一种实际应用的可见光发光二极管LED，特别是上世纪九十年代末第三代半导体材料GaN技术的突破引发的照明领域的第三次革命以来，经历50年的发展，LED因具有体积小、高亮度、耗电量低（白炽灯泡的1/8至1/10，节能荧光灯的1/2）、寿命长（12万小时以上）、高效率、低热量、环保（无Hg、Pb等污染）、可低压低电流启动、响应快、抗震耐冲、可平面封装、易开发成超薄短小产品等系列优点，已广泛应用在建筑景观照明，大屏幕显示，交通信号灯，指示灯，电视机、手机及数码相机等用大小尺寸背光源，太阳能LED照明，汽车照明，特种照明及军用等诸多领域。同时LED灯正在取代传统的白炽灯、节能荧光灯等成为新一代节能、经济环保型照明灯，被誉为21世纪绿色光源。

发光二极管（LEDs）是将电能转换为光的固态设备，一般包括一个或多个量子阱夹在两个相反掺杂层的p-型和n-型半导体材料之间。当偏压施加在两个掺杂层上时，空穴和电子被注入到量子阱中，他们在那里激发复合并产生光。这些光从所述LED的量子阱和所有表面发射出来。

通常，LED不能从它们的量子阱激发直接产生的白光。从LED蓝色光转换为白色光，需要通过LED的蓝色光与周围的黄色荧光材料，聚合物或染料发出的黄光相结合。例如，一个典型的荧光材料是铈掺杂的钇铝石榴石（YAG：Ce荧光材料）[查看日亚化学公司的白色LED型号NSPW300BS，NSPW312BS等;Cree.RTM公司,EZBright.TM的发光二极管及美国专利US5959316等]。这些荧光材料在LED的蓝色光的激发下，产生黄色光。LED的一些的蓝色光通过荧光体不变，而大量的蓝色光被荧光材料吸收，变频为黄色光。LED发出的蓝色光和荧光材料被激发黄色光相结合，形成了白光。为了提高白光的显色指数，蓝色LED也可以与绿色和红色荧光材料相结合，或与黄色和红色荧光材料相结合形成类似阳光的白光。另一种方法从通过LED紫色光或紫外光激发其周围的多色（红，绿，蓝）荧光材料而形成白色光。此外，三色LED（红，绿，蓝）组合也可形成白光。由于绿色LED的发光效率较低，通常使用四个LED（一红，二绿，一蓝）来形成白光，只是价格昂贵。

目前最常规方法是把荧光材料层涂在LED上：先把荧光材料与环氧树脂或有机硅聚合物相混合，然后用注射器或喷嘴把它们涂敷在LED器件上。然而，使用这种方法，非常难以控制的荧光材料层的几何形状和厚度。其结果是，从LED的不同的角度发射出来的光通过转换材料时不同量，这样会导致作为LED的视角函数为非均匀色温。由于使用上述方法很难控制荧光材料层的几何形状和厚度，因此，同批次的白色LEDs很难重复制造和保持同样的性能。

用于涂覆的LED的另一种传统的方法是采用模板技术[欧洲专利申请EP 1198016A2]。多个LED器件被布置在基板上，各相邻的LED之间保持适当的距离。模版提供了具有与LED对齐的开孔，其孔径略大于LED器件尺寸和模版比LED器件稍厚。这模版被定位在衬底上，使每一个开孔与每一个的LED相对应。然后，把荧光材料与有机硅聚合物混合并沉积在模具的开口部来覆盖每一个LED器件。填充孔后，荧光材料与有机硅聚合物，可以通过热或光来固化。

上述的注射器方法和的模板技术，都难以控制荧光体材料的几何形状和厚度。使用模板，荧光体材料可能不完全填充，导致LED上的荧光体材料分布不均匀。含有的荧光体的组合物还可能粘在模板上，从而使涂覆在LED上荧光材料的量减少。模板上孔的开口部也可能未对齐LED器件。这些问题都可能会导致LED具有非均匀的色温度和同批次的白色LEDs是很难重复制造和保持同样的性能。

如果能在LED器件上直接镀上荧光材料薄膜，或在LED灯罩衬片上沉积均匀的荧光材料薄膜，将获得各向均匀的色温度.同时高性能的白色LEDs能够制造和大批量生产，且保持同样的性能。特别是如果能在LED器件上直接镀上宽频梯度的各色（红绿蓝）荧光材料薄膜，或在LED灯罩衬片上沉积均匀的多色（红绿蓝等）荧光材料薄膜，则可以制备出具有高光电转化率和高显色指数即近似阳光的白色LED器件。

目前，LED荧光粉的制备方法主要有高温固相合成法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、均匀沉淀法、燃烧合成法、喷雾热解法等，各方法的差异主要体现在如何获得性能好的前驱体（Precursor）方面，其优缺点见表1。