一种发光材料以及包含该发光材料的发光装置的制作方法

1.本发明涉及发光材料技术领域，尤其涉及一种发光材料以及包含该发光材料的发光装置。


背景技术：

2.白光发光二极管(light emitting diode,led)作为新一代光源产品，已在照明和显示等领域得到广泛应用，是我国重点发展的战略性新兴产业。液晶显示led背光作为白光led的重要应用领域之一，因其具有体积小、功耗低、亮度高、寿命长等特点，受到广泛关注。而高色域显示能有效弥补因色域低而导致的失真、偏色等缺陷，使色彩更鲜活，更符合人眼健康视觉偏好，已逐渐成为显示领域的主要研究方向。而目前商用的广色域led背光源液晶显示的色域与oled、qled仍有一定的差距，但oled寿命较短，成本较高，qled技术尚未成熟，效率较低，成本较高，因此如果能通过荧光粉的技术创新，将基于白光led背光源的液晶显示色域提升至100％以上，以媲美新型显示技术，将大大降低生产成本，具有很好的市场应用前景。
3.目前最常用的led背光源是由蓝光led芯片复合绿色荧光粉和红色荧光粉所组成的白光，而荧光粉，尤其是绿色荧光粉，对于显示色域的提升效果最为明显，要求其半峰宽更窄、发光强度更高，以获得色彩还原度更好，画面更加鲜活的高质显色。
4.目前绿色荧光粉的研究主要集中于以tb
3
、ce
3
、eu
2
、mn
2
为发光中心的材料体系中。其中，tb
3
在紫外区激发、ce
3
发射谱带较宽，显示领域应用有限。eu
2
体系能被蓝光芯片所激发，530nm左右绿光发射，发射强度较高，目前商业应用最为广泛的窄带绿色荧光粉为β-sialon：eu
2
，传统塞隆绿色荧光粉制备条件较为苛刻(高温高压、还原气氛)，且eu
2
溶入基质晶格困难，固相法晶粒形貌难以控制，易引入aln多型体杂相，导致粉体荧光强度下降；而且，塞隆的半峰宽仍较宽(50nm～)，对于色域提升程度有限。以mn
2
作为发光中心的绿色荧光粉半峰宽较窄(18～45nm)，但由于mn
2
的外层电子构型为3d5，且d-d跃迁属于禁戒跃迁，发光性能强烈依赖于基质的晶体结构和晶体场能量，可以通过引入不对称的晶体场，如四面体晶体场，使禁戒跃迁条件拓宽，从而提升发光强度。
5.综上所述，有关液晶显示用的新型绿色荧光粉的研发目前基本处于实验室基础研究阶段，存在体系发光效率低、材料耐热耐湿性能较差、半峰宽较宽等问题，亟待开发能被蓝光激发的新型窄带绿粉，以满足超高色域显示背光源领域的应用需要。


技术实现要素：

6.本发明一方面提供一种发光材料以及包含该发光材料的发光装置，一方面解决现有技术中窄谱带绿色荧光粉发光效率较低的问题，另一方面解决现有发光装置中色域仍较低的问题。
7.为达到上述目的，本发明一方面提供了一种发光材料，包含无机化合物，所述无机化合物包含a元素、e元素、j元素、g元素、x元素和m元素；
8.所述a元素选自ca、sr、ba、la、y、gd中的一种或两种，且必含sr元素；
9.所述e元素是选自al、ga、in元素中的至少一种，且必含al元素；
10.所述j元素是选自mg、zn元素中的一种或两种；
11.所述g元素是选自si、ge元素中的一种或两种，且必含si元素；
12.所述m元素是选自o、n、f元素中的一种或两种元素，且必含o元素；
13.所述x元素是选自mn、eu、ce元素中的一种或两种，且必含mn元素，所述无机化合物具有与sral2si2o8相同的单斜结构。
14.进一步地，所述无机化合物化学式为aaeej
jggmm
x
x
，其中0.8≤a≤1.2，1.3≤e≤2.3，0.01≤j≤0.6，1.8≤g≤2.2，7.8≤m≤8.2，0.001≤x≤0.3。
15.进一步地，j元素必含mg。
16.进一步地，la、y或gd元素在a中元素中的摩尔百分比b满足，0.001％≤b≤40％。
17.进一步地，0.1≤j/(j x e)≤0.3。
18.进一步地，0.8≤b/(j x)≤1.2。
19.进一步地，a元素为sr和la，j元素为mg。
20.进一步地，j元素为mg。
21.另一方面提供一种发光装置，包含激发光源和所述发光材料。
22.进一步地，所述激发光源为发射峰值波长范围为400-470nm的半导体芯片。
23.本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
24.(1)本发明提供的发光材料，可以被蓝光激发，发射峰值波长范围在510～530nm的绿光，且发光强度较高，制备工艺简单，以解决传统绿色荧光粉制备条件严苛、发光效率低、耐温耐水性较差等问题。
25.(2)本发明提供的发光材料可用于制备发光装置，因其半峰宽较窄，色坐标y值较高的优势，能够广泛应用于高色域液晶显示背光源领域。同时配合使用400～470nm的蓝光led芯片与发射波长范围为620～680nm的可见光荧光粉，通过荧光转换的方式实现白光发射，并能有效提升色域范围。使得发光器件发出高光效、高显色的光，以满足超高色域液晶显示背光源等领域的应用需要，具有良好的应用前景。
26.(3)本发明采用与sral2si2o8相同的单斜结构，在sr位用同主族的ca、ba元素或半径相近的la、y、gd元素进行取代时，能够有效改善材料结构以及带隙，减小基质晶格的扭曲程度，为发光中心提供更加稳定的环境，从而实现光效增强。
附图说明
27.图1是本发明实施例1制备的发光材料样品的xrd衍射图；
28.图2是本发明实施例1制备的发光材料样品的激发、发射光谱图；
29.图3是本发明实施例2制备的发光材料样品的xrd衍射图；
30.图4是本发明实施例2制备的发光材料样品的激发、发射光谱图；
31.图5是本发明实施例3制备的发光材料样品的xrd衍射图；
32.图6是本发明实施例3制备的发光材料样品的激发、发射光谱图；
33.图7是发光装置的结构图，其中1-半导体芯片，2-胶水加发光材料，3-引脚，4-基座，5-塑料透镜。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
35.本发明的一个方面，提供了一种发光材料，其包含无机化合物，该无机化合物具有包含a元素、e元素、j元素、g元素、x元素和m元素，其特征在于，所述的a元素是选自ca、sr、ba、la、y、gd中的一种或两种，必含sr元素，e元素是选自al、ga、in元素中的一种、两种或三种，必含al元素，j元素是选自mg、zn中的一种或两种，g元素是选自si、ge中的一种或两种，必含si元素，m元素是选自o、n、f中的一种或两种元素，其中必含o元素，x元素是选自mn、eu、ce中的一种或两种，其中必含mn元素。
36.所述无机化合物具有与sral2si2o8相同的单斜结构。基质中适当的元素取代，如在sr位用同主族的ca、ba元素或半径相近的la、y、gd元素进行取代时，能够有效改善材料结构以及带隙，减小基质晶格的扭曲程度，为发光中心提供更加稳定的环境，从而实现光效增强。ga、in与al同主族，元素性质相近，四配位的离子半径in
3
ga
3
较al
3 3
都更接近于mn
2
适当的in或ga取代al，能够减小mn
2
取代造成的晶格收缩，保持结构稳定性。mg或zn取代al位时，能够产生两种不同特征的绿光发射，且都一定程度上促进了发射强度的提升。si、ge元素性质相近，且ge部分取代si时不会引起较大的结构畸变。而o、n、f取代则是利用阴离子的电负性差异对发光中心的晶体场环境产生影响这一特点，实现光谱可控调谐。eu或ce元素的掺杂则是利用能量传递的方式，使单掺mn原本激发强度较弱的波长范围内吸收效率提升，从而促进发射强度的增强。另外，sral2si2o8是由[alo4]和[sio4]四面体构成三维网状结构，sr
2
占据结构通道，与o
2-形成多配位体。利用在发光中心mn
2
周围引入四面体奇数晶体场，能有效拓宽禁戒跃迁条件，从而提升光吸收效率。而且mn
2
在上述结构中占据刚性较好的四面体al位，热稳定性有进一步地提高。
[0037]
作为优选，所述无机化合物由组成式aaeej
jggmm
x
x
表示，其中0.8≤a≤1.2，1.8≤e≤2.2，0.01≤j≤0.6，1.8≤g≤2.2，7.8≤m≤8.2，0.001≤x≤0.3。在此条件范围内，所述发光材料基本保持sral2si2o8纯相。
[0038]
作为优选，所述发光材料，其特征在于，j元素必含mg。该材料体系中掺杂一定量的二价mg元素后，由于其离子半径介于四配位的mn
2
与al
3
之间，能够一定程度上缓解大半径发光中心mn
2
占据al
3
位置而造成的晶格畸变，为发光中心提供了一个较为稳定的配位环境，有效提升荧光粉材料的稳定性和发光效率。同时，mg
2
会部分进入到结构的间隙位置，以平衡发光中心mn
2
不等价取代时产生的负电荷而不产生杂相。
[0039]
作为优选，所述发光材料，其特征在于，la、y、gd元素在a中元素中的摩尔比为b，0.001％≤b≤40％。在sr中部分掺杂三价的la、y、gd元素，既能进行电荷补偿，有效减少mg、mn等引入晶格时，相应杂相的生成，同时由于掺杂元素半径均略小于sr
2
，进行sr位取代时，晶格收缩而相邻的al-o四面体晶格膨胀，进一步促进发光中心进入al位，从而提升发光强度。然而，当元素取代量超过一定极值之后，由于结构对于元素替换具有一定“容忍度”，过量的元素取代会导致基质的结构被破坏或者出现杂相，使材料光效恶化，故限制la、y、gd的
掺杂量不超过40％。
[0040]
作为优选，0.1≤j/(j x e)≤0.3。在此掺杂比例下，发光强度随掺杂mg浓度增加而增大，掺杂过少或过量都对发光强度的提升不明显。
[0041]
作为优选，0.8≤b/(j x)≤1.2。la、y、gd的引入可以缓解mg、mn共掺时造成的电荷不平衡问题，随掺杂量增多，结晶性能和发光强度都有所提升，但la、y、gd的掺杂量需要与mg含量匹配，过量反而会抑制mn
2
的发光。
[0042]
作为优选，所述a元素为sr和la，j为mg。因为la的离子半径相较于ygd更接近于sr原位取代所造成的晶格畸变不会因为取代原子过小而造成晶格畸变过大甚至导致晶体结构崩塌。
[0043]
作为优选，所述发光材料，j元素为mg。因为单掺杂zn时发射光谱峰值波长有所蓝移，其发射光谱也呈现明显不对称现象，且随zn掺杂量增大易引入杂相，而在mg中引入zn时则由于其对晶体场劈裂影响效果相互排斥而使材料结构稳定性降低，这两种掺杂方式都会造成材料发光效率的可提升程度不如只掺mg体系。
[0044]
一种实施方式中，发光材料的制备方法包括以下步骤：根据所述发光材料所包含无机物的分子式aaeej
jggmm
x
x
，按照化学计量比，称取相应的氧化物、碳酸盐、硝酸盐、氟化物等作为原料，并对称取的原料进行研磨混合，得到原料混合物；
[0045]
将研磨得到的原料混合物放入管式炉内，两端放上碳粉；然后按照1～15℃/min的升温速率升温到1250～1500℃，并在1250～1500℃温度下保温2～10小时后随炉冷却至室温得到烧结体。
[0046]
将冷却后的烧结体研磨后，经过水洗、过筛、干燥步骤得到发光材料成品。
[0047]
作为优选，所述步骤中管式炉的升温速率为5-8℃/min。
[0048]
根据本发明的另一个方面，提供了一种发光装置，包含激发光源和发光材料，所述发光材料如前文所述。
[0049]
作为优选，所述激发光源为发射峰值波长范围为400-470nm的半导体芯片。该发光材料在426nm和450nm处各有一特征窄带激发峰，在所述波长范围下，激发效率较高。
[0050]
作为优选，所述发光材料还包括发射波长范围为620-680nm的可见光荧光粉。利用本发明的发光材料与620-680nm的可见光荧光粉复合封装，可以有效提升发光装置的色域。
[0051]
作为优选，所述可见光荧光粉为k2(si,ge)f6:mn
4
、sr4al
14o25
:mn
4
、(ca,sr,ba)al
12o19
:mn
4
、bamgal
10o17
:mn
4
,mg
2
、camg2al
16o27
:mn
4
、(ca,sr,ba)2si5n8:eu
2
、(sr,ca)alsin3:eu
2
、(sr,ca)[lial3n4]:eu
2
、li2srsio4:pr
3
。其中，各物质中“，”表示圆括号内元素可为单一组分或含一种元素以上的固溶体，例如：k2(si,ge)f6:mn
4
表示为k2sif6:mn
4
、k2gef6:mn
4
和k2si
1-α
ge
α
f6:mn
4
(0《α《1)中的一种或者几种的固溶体。
[0052]
实施例1
[0053]
使用平均粒度为5.0μm的srco3、la2o3、al2o3、mgo、sio2、mnco3为原始粉末，为了获得组成式(sr
0.6
la
0.4
)al
1.66
mg
0.3
si2o
8.03
mn
0.04
表示的化合物，组成元素如表1所示，称取23.61％重量的srco3、17.37％重量的la2o3、22.55％重量的al2o3、3.22％重量的mgo、32.02％重量的sio2和1.23％重量的mnco3原料，将上述原料研磨混匀后装入坩埚，在温度为1300℃的高温炉内烧结4小时；随炉冷却到室温，得到烧结后的样品；所述样品经过球磨、水
洗和筛分，得到所述发光材料。利用x射线光谱对实施例1中得到的发光材料进行检测，其xrd衍射图谱与pdf#38-1454一致，为sral2si2o8单斜结构，如图1所示。利用荧光光谱仪对实施例1进行分析，该材料在450nm蓝光激发下具有绿色光谱的窄谱发光，其峰值波长为523nm，如图2所示，相对发光强度为295。
[0054]
实施例2
[0055]
使用平均粒度为5.0μm的srco3、la2o3、al2o3、mgo、sio2、mnco3为原始粉末，为了获得组成式(sr
0.8
la
0.2
)al
1.76
mg
0.2
si2o
7.98
mn
0.04
表示的化合物，组成元素由表1所示，称取31.64％重量的srco3、8.73％重量的la2o3、24.04％重量的al2o3、2.16％重量的mgo、32.19％重量的sio2和1.23％重量的mnco3原料，将上述原料研磨混匀后装入坩埚，在温度为1350℃的高温炉内烧结5小时；随炉冷却到室温，得到烧结后的样品；所述样品经过球磨、水洗和筛分，得到所述发光材料。利用x射线光谱对实施例2中得到的发光材料进行检测，其xrd衍射图谱与pdf#38-1454一致，为sral2si2o8单斜结构，如图3所示。利用荧光光谱仪对实施例2进行分析，该材料在450nm蓝光激发下具有绿色光谱的窄谱发光，其峰值波长为523nm，如图4所示，相对发光强度为289。
[0056]
实施例3
[0057]
使用平均粒度为5.0μm的srco3、la2o3、al2o3、mgo、sio2、mnco3为原始粉末，为了获得组成式(sr
0.9
la
0.1
)al
1.66
mg
0.3
si2o
7.88
mn
0.04
表示的化合物(组成元素由表1所示)，称取35.85％重量的srco3、4.40％重量的la2o3、22.83％重量的al2o3、3.26％重量的mgo、32.42％重量的sio2和1.24％重量的mnco3原料，将上述原料研磨混匀后装入坩埚，在温度为1400℃的高温炉内烧结4小时；随炉冷却到室温，得到烧结后的样品；所述样品经过球磨、水洗和筛分，得到所述发光材料。利用x射线光谱对实施例3中得到的发光材料进行检测，其xrd衍射图谱与pdf#38-1454一致，为sral2si2o8单斜结构，如图5所示。利用荧光光谱仪对实施例3进行分析，该材料在450nm蓝光激发下具有绿色光谱的窄谱发光，其峰值波长为521nm(如图6所示)，相对发光强度为236。
[0058]
实施例4-25的发光材料制备方法以及表征方法与实施例1相同，只需根据各实施例中目标化合物组成，选择适当计量的化合物进行混合、研磨、选取适当的焙烧条件和后处理得到发光材料产品。实施例1-25的组成和在450nm光源激发下的峰值波长和相对发光强度如表1所示。
[0059]
表1各实施例化学式、发光性能
[0060][0061]
根据上述表1的数据可以看出，实施例1-26中具有本技术组成的发光材料的发射峰值波长均在510～530nm的波长范围内；根据实施例11-13可以看出，单掺杂mg
2
对于该mn
2
激活的发光材料而言，能够有效地提高发光强度，并随着mg元素含量的增多，其发光强度也随之增强，且发射波长没有发生移动。根据实施例1-5可以看出，mg、la共掺能够进一步使发射波长发生“蓝移”，但同时提升了发光强度。当la与mg掺杂比例越接近1时，对荧光粉的发光强度提升程度越大。这是因为la
3 -sr
2
取代可以有效地平衡mg
2
、mn
2
不等价取代al
3
时产生的多余电荷，且使相邻的al-o四面体晶格膨胀，为mn
2
提供一个更加适宜的发光环境。然而过量的la会使相应晶格过度收缩或产生杂相，光效衰减明显。
[0062]
对比例1
[0063]
将氮氧化物β-sialon:eu
2
荧光粉和氟化物红粉k2sif6:mn
4
与半导体芯片进行封装，得到发光装置，该发光装置的封装结构如图7所示。采用高精度快速光谱辐射计积分球
测试系统，用恒定电流点亮，将测试得到发光装置的ntsc色域设定为100％。
[0064]
下述实施例27-36为以本发明的发光材料与可见光荧光粉为发光材料制得的发光装置，以现有技术中已知的发光装置结构为例，如图7所示，所述发光装置包括：1-半导体芯片，2-胶水加发光材料，3-引脚，4-基座，5-塑料透镜。
[0065]
实施例27
[0066]
本实施例27所述的发光装置以波长为460nm的半导体芯片为光源，发光材料为本发明所涉及的发光材料，其包含的无机化合物组成式为(sr
0.6
la
0.4
)al
1.66
mg
0.3
si2o
8.03
mn
0.04
。按照化学式的化学计量比，称取相应的srco3、la2o3、al2o3、mgo、sio2、mnco3为原料，并对称取的原料进行研磨混合，得到混合体；将所述混合体经研磨及混匀后于1300℃煅烧4h，降温后获得焙烧产物；将所得焙烧产物进行破碎、研磨、分级、筛洗等后处理，即可得到所述发光材料。
[0067]
分子式为(ca,sr,ba)al
12o19
:mn
4
的可见光荧光粉发光材料通过以下方法制备：按照化学式的化学计量比，称取相应的caco3、srco3、baco3、al2o3、mnco3原料，并对称取的原料进行研磨混合，得到混合体；将所述混合体经研磨及混匀后于1350℃煅烧5h，降温后获得焙烧产物；将所得焙烧产物进行破碎、研磨、分级、筛洗等后处理，即可得到可见光荧光粉。
[0068]
将本实施例中荧光粉材料与半导体芯片进行封装，得到发光装置，该发光装置的封装结构如图7所示。采用高精度快速光谱辐射计积分球测试系统，用恒定电流点亮各实施例提供的光学装置的光源，测试得到本实施例所述发光装置的相对ntsc色域为109.37％。
[0069]
实施例28-36的发光装置封装以及表征方法与实施例27相同，只需根据各实施例中发光材料以及半导体芯片材料的组成，如表2所述，封装得到所需的发光装置。所述实施例27-36制得发光装置的相对ntsc色域结果见表2所示。
[0070]
表2发光装置组成和显示效果
[0071][0072]
根据上述表2的数据可以看出，实施例27-36中光源与该发明发光材料、发光波长在620～680nm的可见光荧光粉组合封装的发光装置，其色域均大于对比例1。其中在实施例30中，通过本发明的发光材料(sr
0.7
la
0.3
)al
1.66
mg
0.3
si2o
7.98
mn
0.04
与发射波长峰值为460nm的发光光源以及k2(si,ge)f6:mn
4
可见光荧光粉组合封装的发光装置，其色域值最大能达到传统塞隆绿色荧光粉与氟化物红色荧光粉组合的115.56％，说明该发明的发光材料在高色域显示领域具有很好的应用前景。
[0073]
综上所述，本发明涉及一种发光材料以及包含该发光材料的发光装置，发光材料，其特征在于，包含无机化合物，所述无机化合物包含a元素、e元素、j元素、g元素、x元素和m元素；a元素选自ca、sr、ba、la、y、gd，且必含sr元素；e元素是选自al、ga、in，且必含al元素；j元素是选自mg、zn；g元素是选自si、ge，且必含si元素；m元素是选自o、n、f，且必含o元素；x元素是选自mn、eu、ce，且必含mn元素。该发光材料发光强度较高，制备工艺简单，以解决传统绿色荧光粉制备条件严苛、发光效率低、耐温耐水性较差等问题。该发光材料可用于制备发光装置，因其半峰宽较窄，色坐标y值较高的优势，能够广泛应用于高色域液晶显示背光源领域。
[0074]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修
改例。